[과학향기]호수에 글씨를 쓴다 - 가능한거야?

호수에 글씨를 쓴다 - 가능한거야? [제 496 호/2006-09-11]

여기는 일산 호수공원. 호수 주변에 설치된 장치가 움직이면서 잔잔하던 수면에 물결이 일기 시작했다. 호수 가장자리에서 만들어진 물결이 서서히 합쳐지면서 수면에 ‘대한민국’이라는 글씨가 또렷하게 쓰인다. 공원을 방문한 사람들은 이 신기한 장면에 탄성을 지른다. 과연 물 위에 글씨를 쓰는 것이 가능할까?

그동안 물을 마음대로 제어한다는 것은 영화 속에서나 가능한 일이라고 생각했다. 그런데 얼마 전 이 상식을 깨뜨리는 일이 벌어졌다. 일본 오사카 대학의 시게루 나이토 교수와 미쓰이 조선의 아키시마 연구소 연구원들이 ‘아메바(AMOEBA, Advanced Multiple Organized Experimental Basin)’라는 장치로 수면에 글씨를 쓴 것이다. 아직은 조그만 풀에서 간단한 문자만 만드는 정도지만 곧 분수나 놀이공원 등에 활용될 예정이고 호수 위에서 여러 모양을 보여주는 것도 가능할 것이다.

아메바는 직경 1.5m, 깊이 0.3m의 원형 물탱크에 50개의 파동 발생 장치가 달렸다. 비록 알파벳이나 간단한 한자를 15~20초 정도 잠시 나타내 보이는 정도지만 마술을 보는 것처럼 신기하다. 물 위에 글씨를 쓰는 이 놀라운 기계의 원리는 무엇일까?

기본 원리는 의외로 간단하다. 여러 개의 파동을 중첩시켜 합성파가 글자 모양이 되도록 조절한 것이다. 파동은 입자와 달리 한 위치에 여러 개의 파동이 동시에 존재하여 서로 보강되거나 상쇄된다. 아메바는 파동 발생기에서 만들어진 파동의 보강간섭과 상쇄간섭을 이용하여 글씨를 쓴다. 물론 정확한 글자 모양으로 파동을 만들려면 복잡한 수식이 동원되어야 한다.


파동을 적당히 합성시키면 문자 뿐 아니라 훨씬 복잡한 모양도 만들 수 있다. 푸리에 급수로 알려진 이 방법은 ‘아무리 복잡한 파동도 간단한 파동의 합으로 나타낼 수 있다’는 것이다. 푸리에 급수는 어떤 현상의 주기성을 밝혀내는데 상당히 강력한 도구로 많이 활용되고 있다.

우리 주변에서 푸리에 급수는 매우 다양하게 이용된다. 먼저 간섭현상을 이용하면 소음도 없앨 수 있다. 예를 들어 여객기 밖은 엔진에서 발생하는 소음으로 엄청나게 시끄럽지만, 여객기 안은 소음을 크게 느낄 수 없다. 또 경비행기 조종사나 수동 굴착기 기사는 소음을 줄이는 특수한 헤드폰을 끼는 덕분에 시끄러운 환경에서도 일을 할 수 있다. 이것은 능동소음제어(Active Noise Cantrol)라 불리는 기술이 적용되었기 때문으로 비행기 엔진이나 굴착기에서 나는 소음과 같은 주파수를 가지고 위상이 반대인 소음을 발생시켜 소음을 없앤다. 즉 소음을 소음으로 없애는 것이다. 최근 출시되는 고급 차량에도 이러한 소음제거기가 부착되어 정숙한 주행을 할 수 있게 해준다고 한다.

푸리에 급수를 비주기 영역까지 확장시킨 ‘푸리에 변환’은 전파를 분석하는 데 사용된다. 고급 오디오 기기에 달린 LED 막대기는 연주되고 있는 음악을 주파수 별로 구분하여 세기를 보여 준 것이다. 이퀄라이저에서 보여주는 파동 모습은 주파수에 따라 파를 분리해 낸 것인데 이때 푸리에 수학이 사용된다. 주파수별로 파를 분리하면 사람의 목소리를 구분하는 음성인식에도 사용할 수 있다. 목소리는 지문과 같이 고유한 것이라 ‘성문’이라 부르는데 주파수 별로 나누어 비교하면 차이점이 뚜렷하게 나타난다.

또 푸리에 변환을 좀더 빠르게 수행할 수 있는 알고리즘인 ‘고속 푸리에 변환’이 없었다면 첨단 의료 장비인 CT는 만들어지지 못했을 것이다. CT는 X선을 방출하는 스캐너를 환자 주변으로 360도 회전시키면서 신체 내부에 대한 단면 사진을 얻는다. X선 스캔에 의해 얻어지는 정보는 단지 신체 내부에 대한 밀도분포 함수인데, 이 함수에서 영상을 조합해 내는데 바로 푸리에 변환이 사용된다. 또한 현대 의학에 없어서는 안 될 자기공명영상(MRI)도 마찬가지로 푸리에 변환이 사용된다. 그리고 공학자들은 해안에 몰려오는 파도가 방파제에 미치는 영향이나 바람이 건물에 어떤 영향을 주는지 푸리에 수학의 도움을 받는다. 기상학자들은 복잡한 기후의 변화를 연구할 때 푸리에가 없으면 아무것도 할 수 없을 정도이다. 이와 같이 우리 주변에는 푸리에 수학의 도움을 받는 분야가 너무 많다.

아메바는 푸리에 변환의 강력함을 보여준 한 예로 혹자는 푸리에 변환을 가장 아름다운 식이라고 말하기도 한다. 푸리에 수학이 이렇게 강력한 힘을 발휘하는 것은 세상이 파동으로 이루어졌기 때문이다. 푸리에 수학을 더 잘 이해하면 파도뿐만 아니라 모든 파동을 마음대로 제어하는 날이 오지 않을까? (글 : 최원석 과학칼럼니스트)

‘닫힘 버튼 누른다고 전력 과소비?’ 엘리베이터 오해와 진실

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=101&oid=005&aid=0000256630

무궁화호 가격으로 KTX 타는 법을 아세요?

http://www.ohmynews.com/NWS_Web/View/at_pg.aspx?CNTN_CD=A0000357120

[과학상식]라면을 먹고 자면 왜 얼굴이 부을까?

◈라면을 먹고 자면 왜 얼굴이 부을까?
라면을 먹었을 때 얼굴이 붓는 주원인은 얼굴에 퍼져있는 모세혈관에서 혈장이 배어나오기 때문이다. 라면을 먹으면 다량의 염분과 수분을 함께 섭취하는데, 염분에 포함된 나트륨은 수분을 체내에 유지하려는 특성이 있다. 모세혈관과 조직사이에 삼투압 현상이 발생하면서 세포로 수분이 다량 유입되어 조직 세포들이 팽창하면서 얼굴이 붓는다.

출처 : 과학향기

[과학향기]신문지, 재생종이로 둔갑하다

신문지, 재생종이로 둔갑하다 [제 495 호/2006-09-08]

“아니, 양과장! 결재서류가 이게 뭔가?”
“부장님! 무슨 문제가 있나요?”
“이 뒷장에 써있는 건 뭐야?”
“아~그거요? 종이를 좀 아껴보자는 차원에서 이면지를 사용해 봤습니다.”
“뜬금없이 그게 무슨 소리야? 갑자기 이면지 사용이라니?”
“그게 말입니다. 주말에 아들 녀석을 데리고 전주에 있는 종이박물관에 다녀왔거든요. 가서 종이에 대해 공부도 하고, 종이를 직접 만들어보기도 하니까 종이를 아껴야겠다는 생각이 절실해지더라고요.”
“종이박물관이라는 곳도 있어?”
“네! 저도 몰랐는데, 그런 곳이 있더라고요. 종이의 역사나 만드는 방법 같은 것도 볼 수 있고, 직접 만들어 볼 수도 있어요. 종이를 한 번 만들어봤더니 별거 아니던데요. 집에서도 만들 수 있어요.”
“집에서도?”
“네. 제가 알려드릴 테니까 집에 가셔서 아이들한테 보여주세요. 무척 재밌어 할 걸요.”

[실험방법]
1. 준비물 : 신문지, 믹서, 물, 녹말가루 조금, 깊이 있는 그릇, 체(철망), 가제수건, 다리미
2. 신문지를 잘게 찢어 믹서에 절반정도 차도록 담고, 2/3정도까지 미지근한 물을 넣는다. 종이를 질기게 하기 위해서 녹말가루를 작은 술로 2스푼 넣는다.
3. 믹서로 종이를 잘게 부숴 곤죽을 만든다. (믹서가 없을 경우 종이를 물에 불린 후 거품기로 휘저어 잘게 부순다.)
4. 큰 그릇에 신문지의 약 10배 정도의 물을 넣고 만들어진 곤죽을 붓는다. 펄프가 너무 진하지 않게 적당한 농도로 만들고, 섬유질이 아래쪽에 가라앉지 않도록 숟가락으로 잘 휘저어 준다.
5. 체(철망)를 그릇에 담가 아래위로 천천히 움직여 얇고 고르게 곤죽을 담는다. 체(철망)를 약간 기울여 물기를 뺀다.
6. 여러 장의 신문지를 깔고, 가제수건을 올려놓고, 체를 뒤집어 종이곤죽을 빼낸다.
7. 곤죽 위에는 깨끗한 종이(또는 가제수건), 신문지를 올려놓고 다림질을 한다. 신문지가 젖으면 새 신문지로 교체한다. 종이가 마르는 동안 만지거나 흐트러지지 않게 주의한다.
8. 다림질이 끝나면 필요한 크기만큼 잘라내 용도에 맞게 꾸민다.

“어때요? 쉽죠? 종이 만드는 공정을 간단히 하면 4가지로 나눠져요. 첫 번째가 ‘고해(叩解)’라고 해서 종이원료를 두들겨서 부드럽게 하는거죠. 믹서기로 잘게 부수는 것이 같은 맥락이라고 보시면 되요. 두 번째가 ‘제작(制作)’인데요, 만들어질 종이의 형태를 잡아주는 거죠. 체로 건져서 신문지 위에 놓을 때 만들고 싶은 모양으로 잘 잡아줘야 해요. 세 번째는 종이가 평평해 지도록 눌러주는 ‘압착(壓搾)’이고, 네 번째는 ‘건조(乾燥)’시키는 거예요. 다리미로 다리는 게 이 세 번째 네 번째 공정을 같이 하는 거라고 보면 되죠. 그런데 신문지를 사용하면 종이 질이 거칠고 색도 좀 어두운 종이가 되더라고요. 우유팩을 사용하면 좀 더 하얗고 깨끗한 종이가 되고요.”

“사용하는 종이 종류도 그렇지만 무엇보다 말리는 걸 잘 해야 되겠군.”
“네. 종이곤죽을 얇고 고르게 잘 펴서 얼마나 잘 말리느냐가 제일 중요해요. 옛날에 한지도 이런 방법으로 만들었다고 하더라고요.”
“그래? 우리 조상들은 참 지혜로웠던 것 같아.”
“그렇죠? 어쨌든 우리가 폐지를 회수해서 재생종이 1톤을 만들면 30년 된 나무 17그루와 물 238톤, 전기 4200kw/h를 아낄 수 있대요. 높이 15m 정도 되는 20년 된 나무 한그루가 1년에 이산화탄소 334g, 아황산가스 130g을 흡수한다고 하는데, 그렇게 따져보면 환경보호에 크게 이바지하는 거죠.”

“이야~ 종이박물관에 한 번 다녀오더니 박사가 다 됐군 그래. 그런데 종이는 이렇게 계속 재생해서 쓸 수가 있는 건가?”
“그건 아니에요. 종이란 게 섬유질을 추출해서 넓게 펴고 압축해서 만든 건데, 그 과정을 여러 번 반복하다보면 종이의 섬유질이 잘라져서 아무래도 계속 재생해 사용하기는 어렵죠. 우리나라에서 매년 수백억 원을 들여서 백만 톤이 넘는 폐지를 외국에서 수입한다는데, 어떤 식으로든 종이 재활용률을 더 높여야죠. 그래서 제가 생각한 게 이면지활용 아닙니까.”
“듣고 보니 그렇긴 한데 말이야. 아무리 그래도 결재서류에 이면지를 쓰는 건 좀 그렇지 않겠어? 어서 가서 다시 작성해 와!”
“아, 알겠습니다!” (글 : 과학향기 편집부)


◆재생지의 활용
아무래도 종이질이 떨어지기 때문에 고급용지를 사용하는 곳에는 많이 사용되지 못하고 있다. 제품포장용 박스나, 계란판 등에 많이 사용되며 화장지로도 사용된다. 환경부에서는 일반 관공서와 기업체 내에서의 인쇄물을 재생지로 사용할 것을 권장하는 ‘녹색인쇄문화 가이드라인’ 훈령을 제정해 실시하고 있다.