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공기 속에 다이아몬드가 떠다닌다?
기둥 없는 다리가 왜 무너지지 않을까?

“물리는 일상 속 궁금증에 명쾌한 답변을 줍니다!”
tvN 〈어쩌다 어른〉 〈책 읽어주는 나의 서재〉 출연
베스트셀러《세상물정의 물리학》《관계의 과학》저자 김범준 추천!

비 오는 날 우산 표면을 타고 또르르 흐르는 물방울을 보면 문득 이런 의문이 든다. ‘왜 우산은 비에 젖지 않을까? 그러고 보니 왜 물방울은 세모 모양이 없지?’ 어둑어둑한 밤하늘을 올려보다 보면 또 이런 게 궁금해지기도 한다. ‘우주는 밤처럼 까만데 낮의 하늘은 왜 파랗지?’
사실 우리를 둘러싼 일상에는 물리학의 원리가 가득하다. 나뭇잎이 팔랑팔랑 떨어지는 것에도, 물방울이 나뭇잎 위를 둥글게 굴러다니는 데도, 세상 모든 색을 보게 해 주는 빛 등에도 물리학의 원리가 존재한다.

물리의 사전적 의미는 ‘물질의 물리적 성질과 그것이 나타내는 모든 현상, 그리고 그들 사이의 관계나 법칙을 연구하는 학문’(표준국어대사전 인용)이라 정의되어 있다. 그렇기에 물리를 알면 세상을 조금 더 넓고 깊게 보는 시각을 키울 수 있는 것이다.
이 책을 기획한 도쿄이과대학 물리학과 교수 가와무라 야스후미 역시 ‘들어가는 글’을 통해 지금까지 물리학은 우리의 삶을 바꾸어 왔으며 미래를 예측하는 데도 큰 역할을 해왔다고 말한다. 따라서 물리학을 이해하는 것은 곧 앞으로의 인간의 삶을 바꾸는 것과도 연결되어 있다는 소견을 밝혔다.

《아는 만큼 보이는 세상 : 물리편》에서는 빛, 물, 공기, 열, 지구, 우주, 생활의 7가지 키워드를 바탕으로, 자연현상과 일상 속 궁금증 81가지를 뽑아 담았다. 여기에는 ‘노을은 왜 붉을까?’ 하는 일상적인 궁금증부터 ‘공기에 무게가 있다니?’처럼 미처 몰랐던 궁금증, ‘우주의 나이는 몇 살일까?’ 같은 미지의 세계에 대한 궁금증과 그 해답까지 두루 담겨 있다.
물론 물리학은 어렵고 지루하다고 생각하는 사람도 많을 것이다. 그러나 이 책은 누구나 어릴 적, 혹은 일상을 살며 한 번쯤은 궁금하고 알고 싶다고 생각해 보았을 쉽고 재미있는 질문들을 엄선하였다.
무슨 말인지 이해하기 어려운 물리책에 지친 사람, 물리에 관심이 없어도 자연을 보며 어떻게 그런 현상이 일어나는지 궁금했던 적이 있는 사람, 지루하지 않다면 한 번쯤은 과학책을 읽어 보고 싶었던 사람이라면 이 책을 꼭 읽어 보기를 바란다. 때로는 당연하다고 무심하게 지나치고, 때로는 궁금했지만 제대로 알아보지 못했던 세상의 기본 원리가 담긴 이 한 권을 통해, 쉽고 재미있게 ?에서 !로 가는 여정을 경험하게 될 것이다.

과포자가 된 학생, 아이의 엉뚱한 질문에 쩔쩔맨 부모…
나의 이야기 같다면!
과학, 특히 ‘물리’라는 말을 들으면 어떤 생각이 떠오를까? 많은 사람이 ‘지루하다’, ‘공식이 복잡하다’, ‘이해하기 어렵다’ 등등 부정적인 인상을 가장 먼저 떠올릴 것이다. 하지만 이런 생각이 ‘교과서’로 ‘시험 문제’를 풀기 위해 물리를 배웠기 때문에 생긴 편견이라면 어떨까? 나를 과포자로 만든 것이 사실은 ‘물리’가 아니라 ‘시험’이라는 것이다.

모두의 과학적 상식을 책임지는 세상에서 가장 쉬운 물리책
영국의 생물학자인 토마스 헉슬리는 “과학은 그저 잘 다듬어 정리한 상식에 불과한 것으로, 과학과 상식의 차이는 베테랑과 초심자의 차이일 뿐이다.”라고 말하였다. 그의 말처럼, 주변에 널린 자연과 일상의 물리학들은 사실 그렇게 어렵지 않다.
만약 우리가 길을 걷다 마음에 쏙 드는 노란색 옷을 발견했다고 가정해 보자. 여기서 그저 ‘노란색이 예쁘네’까지만 생각하고 지나치는 것과, ‘노란색이 예쁘네. 그런데 저 옷은 어떻게 노란색으로 보이는 걸까?’라고 한 번 더 생각해 보는 것은 다르다. 바로 이 ‘그런데’에 과학적 사고가 녹아 있는 것이다.
세상 모든 색을 보는 데는 ‘빛의 반사’라는 원리가 숨어 있다. 이 원리가 어려운 거라는 생각이 든다면 다음 이야기를 잘 읽어보기를 바란다. 사실 누구나 무지개를 통해 태양 빛 속에 빨간색, 주황색, 노란색 등등 다양한 색이 섞여 있다는 것을 알고 있다. 노란색 옷은 태양 빛 속 여러 색 중 노란색만을 튕겨내고 다른 색의 빛을 모두 흡수한 결과일 뿐이다. 이처럼 물리는 사실, 알고 나면 그렇게 어렵지 않다.

빛, 물, 공기, 열, 지구, 우주, 생활
7가지 키워드로 들여다보는 세상 거의 모든 과학!
이 책에서는 나의 주변에서 쉽게 접할 수 있는 자연과 일상의 질문들을 총 7가지 키워드로 나누었다.
첫 번째 ‘과학은 눈앞의 호기심에서 출발한다’는 빛과 관련한 물리 이야기이다. 우리의 눈이 색깔을 구분할 수 있도록 하는 빛의 반사와 산란, 분해, 굴절 등에 대해 쉽게 설명해 준다.
두 번째 ‘가장 부드럽지만 가장 강한 힘이 만들어 낸 세상’은 물과 관련한 물리 이야기이다. 부드러운 감촉의 물, 반짝이며 빛나는 얼음, 산도 깎아내는 힘에 관해 설명한다.
세 번째 ‘눈에 보이지 않는 힘으로 가득한 세상’은 공기와 관련한 물리 이야기이다. 거대하고 무거운 비행기나 헬리콥터가 하늘 높이 날 수 있는 이유부터 시작해 구름이 만들어지는 단 세 가지 과정, 그리고 맛있는 커피를 내리는 데 활용할 수 있는 물리 비법까지 알려준다.
네 번째 ‘가장 짜릿하고도 강력한 힘이 만든 세상’은 열과 관련한 물리 이야기이다. 또한 전기와 관련한 물리도 함께 담았다. 누구나 아름답다고 생각하는 오로라는 어떻게 생기는 건지, 번개가 치는 이유는 무엇인지, 다이아몬드는 대체 어떻게 만들어지는 건지 흥미로운 현상의 핵심을 설명한다.
다섯 번째 ‘신비한 생명의 비밀이 가득한 세상’은 지구를, 여섯 번째 ‘환상적인 수수께끼로 가득한 미지의 세상’은 우주의 물리를 이야기한다. 지구에서 별까지는 얼마나 먼 것인지부터 시작해 우주 속 지구의 위치, 나아가 로켓을 우주로 날려 보내는 물리 비법까지 꼼꼼하게 담았다.
마지막으로 ‘과학이 우리에게 준 선물들’에서는 생활 속에서 만나는 물리를 담았다. 불꽃이 터지는 소리가 한박자 늦게 들리는 이유, 가는 케이블로 지지하는 거대한 다리들의 원리, 그리고 그네를 잘 타는 물리 비법까지 알차게 알려준다.

아직 보지 못한 세계로 향하는 첫걸음
SF의 전설로 불리는 작가 아이작 아시모프는 “과학에서 새로운 발견을 알리는 가장 신나는 표현은 ‘유레카!(찾았다)’가 아니라 ‘그거 재미있네!’이다.”라고 말했다. 이제까지 우리가 편견을 가지고 있던 물리는 잊어라! 진짜 물리의 재미는 놀이동산의 360도 회전하는 롤러코스터와 같이 짜릿하고, 모세가 바닷물이 가른 것처럼 갈라지는 바닷길 등 신기하면서도 낯설지 않은 현상들에 숨어 있다.
이 책을 통해 어릴 적 누구나 한 번쯤은 궁금해 했던 질문들에 대한 답을 찾는 시간, 호기심이 많은 아이의 질문에 속시원하게 설명하는 뿌듯함, 물리란 이렇게 쉽고 재미있다는 사실을 알아가는 경험을 얻어가기를 바란다.

감수의 글 _ 김범준(성균관대학교 물리학과 교수)
들어가는 글

CHAPTER 1. 과학은 눈앞의 호기심에서 출발한다 _ 빛
노을은 왜 붉을까? ㆍ 빛의 산란
구름은 흰색이 아니라고? ㆍ 빛의 산란
바닷물은 투명한데 바다는 왜 파랄까? ㆍ 빛의 반사와 산란
하늘의 색이 시시각각 변하는 때가 있다 ㆍ 빛의 반사와 산란
어두운 동굴에서도 바다가 파란 이유 ㆍ 빛의 반사와 산란
거울처럼 비추는 호수가 있다고? ㆍ 빛의 반사
등대 불빛이 아주 멀리까지 가는 이유 ㆍ 빛의 직진
무지개를 비 온 뒤에만 볼 수 있는 이유 ㆍ 빛의 분해
환상적인 신기루의 정체 ㆍ 빛의 굴절과 위신기루
오메가 태양이 나타나는 이유 ㆍ 빛의 굴절과 아래신기루
마른 땅 위에서 물이 보인다고? ㆍ 빛의 굴절과 아래신기루

CHAPTER 2. 가장 부드럽지만 가장 강한 힘이 만들어 낸 세상 _ 물
파도는 '이것'이 만들어 낸다 ㆍ 풍랑과 파동
거대한 빙산이 어떻게 바다 위에 떠 있는 걸까? ㆍ 부력
얼음이 솟아나는 길의 비밀 ㆍ 얼음의 팽창과 수축
겨울산의 얼음나무들은 어떻게 만들어진 걸까? ㆍ 과냉각
공기 중에서 다이아몬드처럼 빛나는 것의 정체 ㆍ 승화
아름다운 눈 결정에 담긴 비밀 ㆍ 수소 결합
얼음 표면은 왜 미끄러울까? ㆍ 물막
강물이 계곡을 깎았다고? ㆍ 침식 작용과 운반 작용
나이아가라 폭포의 에너지는 얼마일까? ㆍ 위치 에너지와 운동 에너지
물방울에는 왜 세모, 네모 모양이 없을까? ㆍ 표면 장력
수압이 일으키는 인체의 변화 ㆍ 헨리의 법칙
마치 꼬리 같은 비행운의 정체는? ㆍ 포화 수증기량
상어는 어떻게 그렇게 빠른 걸까? ㆍ 리블렛 구조

CHAPTER 3. 눈에 보이지 않는 힘으로 가득한 세상 _ 공기
비행기가 하늘을 날 수 있는 단 하나의 이유 ㆍ 양력
왜 연은 당길수록 높이 날까? ㆍ 힘의 평형
공기에 무게가 있다고? ㆍ 기압
맛있는 커피를 내리는 데도 물리의 비법이 숨어 있다 ㆍ 기압의 변화
고속열차의 앞코는 왜 뾰족하게 튀어나왔을까? ㆍ 공기 저항
헬리콥터는 어떻게 하늘을 나는 걸까? ㆍ 양력과 작용ㆍ반작용
태풍이 오른쪽으로만 이동한다고? ㆍ 코리올리의 힘
위협적인 토네이도의 비밀 ㆍ 상승 기류와 하강 기류
나뭇잎이 팔랑팔랑 떨어지는 이유 ㆍ 공기 저항
굴뚝의 흰 연기는 왜 금세 사라질까? ㆍ 수증기의 응축
비행기가 날 때 깔때기 구름이 생기는 이유 ㆍ 수증기의 응축
구름이 만들어지는 단 세 가지 단계 ㆍ 응축과 단열 팽창
더 읽어보기 ㆍ ㆍ ㆍ 구름의 대표적인 형태 10가지

CHAPTER 4. 가장 짜릿하고도 강력한 힘이 만든 세상 _ 열
아름다운 오로라는 어떻게 만들어질까? ㆍ 자기장과 플라스마
태양 빛을 전기로 바꾸는 원리 ㆍ 빛 에너지의 변환
바람의 힘을 전기로 바꾸는 원리 ㆍ 전자기 유도
물의 힘을 전기로 바꾸는 원리 ㆍ 위치 에너지의 변환
비닐 랩은 왜 그렇게 달라붙을까? ㆍ 반데르발스 힘
태양 빛에는 빛만 있는 게 아니라고? ㆍ 전자기파
왜 바닷물은 모래사장만큼 뜨거워지지 않을까? ㆍ 비열
뜨거운 열만 있으면 하늘을 날 수 있다고? ㆍ 열 에너지와 기체의 밀도
하늘을 가로지르는 1억 볼트의 번개 ㆍ 정전기
우주에서 정보를 보내는 GPS의 원리 ㆍ 전파
아름다운 다이아몬드는 어떻게 만들어질까? ㆍ 온도와 압력
더 읽어보기 ㆍ ㆍ ㆍ 다양한 보석의 원석

CHAPTER 5. 신비한 생명의 비밀이 가득한 세상 _ 지구
별은 얼마나 멀리 떨어져 있을까? ㆍ 연주 시차
'이곳'에 가면 몸무게가 1/6이 된다고? ㆍ 보편중력
국제우주정거장(ISS)은 왜 떨어지지 않을까? ㆍ 수평으로 던진 물체의 운동
화석이 태고의 지구를 아는 실마리가 되는 이유 ㆍ 압력과 화석화 작용
지구에 균열이 생겼다고? ㆍ 맨틀 대류
뜨겁고 새빨간 마그마의 정체 ㆍ 맨틀과 압력
지구는 언제부터 끊임없이 돌고 있었을까? ㆍ 관성
밀물과 썰물이 생기는 이유가 달 때문이라고? ㆍ 인력과 원심력
달은 초승달일 때도 동그란 모양이라고? ㆍ 달의 공전

CHAPTER 6. 환상적인 수수께끼로 가득한 미지의 세상 _ 우주
밤하늘에서 떨어지는 유성의 정체 ㆍ 마찰열과 단열 압축
우주에 뚫린 검은 구멍, 블랙홀 ㆍ 초신성 폭발
드넓은 우주에서 지구는 어디쯤에 있을까? ㆍ 우리은하
우주의 나이는 몇 살일까? ㆍ 빅뱅
스트로베리 문의 비밀 ㆍ 빛의 반사
가장 거대한 달, 슈퍼문 ㆍ 근지점
우주선은 얼마나 빠를까? ㆍ 속도
태양과 달의 환상적 만남 ㆍ 일식
크레이터는 어떻게 생겨난 걸까? ㆍ 충돌 에너지와 운동 에너지
로켓을 우주로 날려 보내는 물리의 비법 ㆍ 작용과 반작용
우주의 탄생에 관한 비밀을 가진 입자가 있다고? ㆍ 중성미자

CHAPTER 7. 과학이 우리에게 준 선물들 _ 생활
불꽃의 소리는 왜 한박자 늦게 들릴까? ㆍ 소리의 속도
기둥이 없어도 무너지지 않는 아치형 다리의 비밀 ㆍ 작용과 반작용
여러 줄의 케이블로 지지하는 사장교의 원리 ㆍ 인장력
두 줄의 케이블로 지지하는 거대한 다리의 비밀 ㆍ 인장력과 힘의 합성
롤러코스터에서는 왜 거꾸로 뒤집혀도 떨어지지 않을까? ㆍ 원심력과 중력
스키 점프 선수가 안전하게 착지하는 물리적 비법 ㆍ 충격량과 반발계수
그네를 잘 타는 물리 비법 ㆍ 공명 원리
양초는 심지만 타는 게 아니라고? ㆍ 모세관 현상
아름다운 야경을 만드는 전구와 LED의 비밀 ㆍ 백열화, 반도체의 양공ㆍ전자
지평선에서는 몇 킬로미터 앞까지 보일까? ㆍ 피타고라스의 정리
탄환이 휘지 않고 똑바로 날아가는 이유 ㆍ 자이로 효과
투석기는 어떻게 돌을 멀리 날리는 걸까? ㆍ 지레의 원리
힘이 없어도 '이것'만 있으면 다 들어 올린다고? ㆍ 고정도르래와 움직도르래
눈에 보이지 않는 미시 세계를 엿보는 방법 ㆍ 전자의 투과와 반사

참고문헌

액체는 형태를 자유롭게 바꿀 수 있지만 어느 정도 뭉치려는 성질이 있습니다. 각 물질의 분자들이 서로 끌어당기는 ‘분자간 힘’을 가지고 있기 때문입니다. 유체처럼 움직이는 물질은 분자 간 힘이 표면의 면적을 되도록 작게 만들려는 방향으로 작용하는데, 이 힘을 계면 장력이라고 합니다. 액체일 때는 표면 장력이라고 합니다. 물은 액체 중에서도 표면 장력이 큽니다.
표면이 울퉁불퉁한 잎이 물을 튕겨 내고, 표면 장력에 의해 물방울이 동그래집니다. 연잎에 맺힌 물방울을 생각해 봅시다. 연잎 표면에는 많은 미세한 돌기가 있어 연잎 위의 물방울은 돌기 위에 떠 있는 형태가 됩니다. 이로 인해 표면에 접촉하는 면적이 아주 작아지면서 표면 장력이 커집니다. 또 돌기와 물방울의 접촉각이 크므로 표면 장력 때문에 동그란 물방울을 만듭니다.
-‘물방울에는 왜 세모, 네모 모양이 없을까’에서

비행기는 날개가 받는 양력 덕분에 하늘을 날 수 있습니다. 날개의 단면을 보면 보통 위쪽은 볼록하게 나와 있고 아래쪽은 상대적으로 평평합니다. 비행기가 앞으로 움직일 때, 날개 앞부분에 부딪힌 공기는 날개의 위쪽과 아래쪽으로 나뉘어 흐르게 됩니다. 이때 날개 위쪽을 지나는 공기는 상대적으로 경로가 길기 때문에 공기의 속도가 빨라집니다. 그러면 공기의 속도가 빠른 날개의 위쪽은 공기의 속도가 느린 아래쪽보다 공기의 밀도가 낮아집니다(기압이 낮음).
힘은 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 작용하므로, 공기의 밀도가 높은(기압이 높음) 아래쪽에서 날개 위쪽 방향, 즉 아래쪽에서 날개를 들어 올리려고 하는 힘이 작용합니다. 이 힘을 양력이라고 합니다. 양력은 날개의 면적이 크고 날개에 부딪히는 공기의 속도가 빠를수록 커집니다. 즉, 날개의 형태가 기압 차이를 만들면서 발생하는 양력이 비행기를 띄우는 것입니다.
-‘비행기가 하늘을 날 수 있는 단 하나의 이유’에서

아치형 돌다리는 지지대가 없어 보기에는 불안해도 쉽게 무너지지 않습니다. 다리를 구성하는 돌을 하나하나 살펴보면 단면이 사다리꼴 모양입니다. 이것이 핵심입니다.
돌은 중력(무게) 때문에 아래로 떨어지려고 하지만, 양옆에 있는 돌도 사다리꼴이므로 떨어지는 힘이 분산됩니다. 즉, 중력이 양옆의 돌을 미는 힘으로 분해되는 것입니다.
하나의 돌은 양옆의 돌과 서로 밀고(작용) 밀리면서(반작용) 자신의 무게를 지탱합니다. 각각의 돌이 양옆의 돌과 서로 밀고 있으며, 최종적으로는 양 끝의 지면이 돌다리를 지탱합니다.
-‘기둥이 없어도 무너지지 않는 아치형 다리의 비밀’에서