서울市立科學團 SEOUL SCIENCE CENTER

科學에서 使用하는 基本單位

科學은 測定에서 비롯된다. 測定은 어떤 物理量을 재는 것인데, 物理量에는 길이, 面積, 부피, 質量, 무게, 速度, 溫度, 힘, 에너지, 壓力, 電氣, 소리 等 여러 가지가 있다. 이러한 物理量에 意味를 附與한 것이 單位이며, 이는 科學의 基本이 된다.

옛날부터 物件의 크기나 量을 잴 때 가장 便한 方法이 身體를 基準으로 한 것으로 발의 길이를 基準으로 한 길이 單位인 피트(feet), 사람이 한 番에 입에 넣을 수 있는 물의 量 1홉 等이 있다. 이러한 基準은 各 나라마다 달라서 外部 地域과 交易을 하거나 物件을 만들 때 單位가 맞지 않아 不便한 일이 많아 發生했다. 甚至於 權力者들에 依해서 單位가 造作되기까지 하였다. 따라서 國際社會에서는 統一된 單位의 必要性이 커졌다.

1789年 프랑스 革命을 契機로 不合理한 單位體系를 하나로 統一하게 되는데 이것이 ‘미터法’이다. 미터法 單位系는 1875年 파리에서 締結된 미터條約에 依하여 制定된 以來 世界 各國에 普及되어 觀測이나 測定 分野에 널리 利用되어 政治, 經濟, 社會 모든 分野에서 不平等을 解消하고, 信賴할 수 있는 社會를 만드는데 큰 寄與를 하게 된다.

1954年 第10次 國際 度量位(CGPM) 總會에서는 實用的인 觀測 單位系의 基本 單位로서 길이, 質量, 時間, 電流, 熱力學的 溫度, 光度의 6個 物理量을 採擇하였으며 1960年 第11次 CGPM 總會에서는 電流의 單位인 암페어(A)를 基本單位로 한 MKSA 單位가 國際統一單位로 決定되었다. 同時에 熱力學溫度는 켈빈(K), 光度는 칸델라(cd)도 基本單位로 選定되었고, 이 單位體系를 ‘國際單位系(SI)’라고 이름 지었으며, 接頭語, 誘導單位 및 追加 單位에 對한 原則을 確立하였다.

1971年 會議에서는 7番째의 基本單位인 몰(mole)李 追加 되었고, 國際單位(SI)系 物理量으로 센티미터(cm)·그램(g)·秒(s)로 나타낸 것을 CGS 單位, 미터(m)·킬로그램(kg)·秒(s)로 나타낸 것을 MKSA 單位라 定하였다. 우리나라의 計量法度 SI에 準해서 規定하고 있다.

特히, SI 基本單位 中에서 ‘켈빈(K)’의 基準이 되는 ‘물의 三重點’은 O展示室 ‘O14 壓力을 변화시키면 물은 어떻게 될까?’에서도 重要하다. 다른 展示室에 있는 體驗물을 體驗하며, ‘물의 三重點’에 對해서 더 仔細히 알아보자.

誘導單位
길이, 質量, 時間 等 物理的인 量을 測定할 때는 基準이 되는 量의 몇 倍가 되는가로 나타낸다. 이때 基準이 되는 量을 單位라고 한다. 單位는 어떤 量에 對해서도 任意의 크기로 約束할 수 있다. 그러나 單位를 여러 量에 對하여 하나하나 規定하여 使用하면 많은 數의 單位가 만들어지면서 다루기가 매우 不便해지게 된다. 따라서 基本이 되는 몇 個의 單位만을 定하고, 다른 量의 單位는 物理法則 또는 그 定義에 따라 이 基本單位를 組立해서 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 單位를 ‘誘導單位’라 한다.

‘誘導單位’는 物理法則을 基本으로 하여 基本單位들의 組合으로 만들어진다. 例를 들면 길이의 單位를 m, 時間의 單位를 初(s)로 했을 때, 速力은 길이/時間 이므로 速力의 單位는 m/s, 加速度는 速力變化輛/時間 이므로 單位는 m/s2  이 되는데 이들이 ‘誘導單位’에 該當한다. 이러한 誘導 單位로는 넓이는 ㎡, 부피는 ㎥ 等이 있다.

이 밖에 특수한 分野의 計量에 쓰이는‘특수단위’나 基本單位 및 誘導單位를 十進排水나 分數로 表示한 ‘補助單位’ 가 있다.
 
特需單位
特搜團位는 특수한 用途로 使用이 許容된 單位로 濕度(%)나 소리의 相對的 크기를 나타내는 데시벨(dB), 작은 粒子들의 運動에너지 量인 전자볼트(eV), 航海나 航空에서 距離를 나타내는 單位인 海里, 解像度를 나타내는 畫素(pixel) 等이 있다. 人體에 影響을 미치는 放射線 量은 ‘시버트(sv)’로 나타낸다. ‘시버트’는 放射線 防護 硏究에 貢獻한 스웨덴 物理學者 롤프 시버트(Rolf Maximilian Sievert, 1896~1966) 이름에서 由來됐다. Sv는 放射線의 形態와는 關係없이 그 放射線으로 인한 一定한 生物學的 效果만을 나타내는 單位로 放射性 物質에서 나오는 放射線의 種類와 身體 各 部位가 받는 影響을 包含하는 數値다.
 
補助單位
補助單位로는 1/1000을 나타내는 밀리(m), 1000倍를 나타내는 킬로(k), 100萬 배를 의미한 마이크로(µ) 等이 있다. 例를 들면 킬로미터(km), 마이크로미터(um), 킬로그램(kg)

直流와 交流
導線을 通過하는 電荷의 흐름을 電流라고 한다. 그리고 이 電流의 方向이 일정하면 直流, 그리고 方向이 週期的으로 바뀌면 交流라고 한다. 우리가 쓰는 乾電池는 直流 電源의 代表的인 例이고, 家庭에서 쓰는 콘센트는 交流全員에 該當된다. 그래서 乾電池를 使用할 때에는 (+)極과 (-)劇을 正確히 連結해야 하지만, 콘센트는 자유롭게 連結할 수 있는 것이다. 우리나라에서는 1秒에 60番 電流의 方向이 바뀌는 60 Hz 交流電源을 使用한다. 電動機 亦是 直流電動機와 交流電動機로 나눌 수 있으며, 現在는 安全性과 經濟性이 높은 交流電動機를 더 많이 使用하고 있다.

交流와 테슬라
交流 使用에 크게 寄與한 科學者는 니콜라 테슬라(Nikola Tesla, 1856 ~ 1943)이다. 니콜라 테슬라는 交流를 利用하면 直流 電動機의 스파크 問題를 解決할 수 있다고 생각했고 이를 基盤으로 變化하는 磁氣場의 原理를 利用한 交流 誘導 電動機를 發明했다. 그리고 이 交流 電動機가 地下鐵을 비롯해 우리가 使用하는 여러 電氣機器들의 基礎가 되었다. 또한 無線 通信, 高電壓 發生用 코일, 論理곱(AND)回路 素子, 레이더, 垂直離着陸機, 回轉날개 없는 터빈 等 數 없이 많은 發明品들을 만들거나 그 基礎를 提供하였다. 磁束密度를 表現하는 國際單位系(SI 單位)인 테슬라(T)는 그의 業績을 기리기 위해 1960年 制定되었다.

飛行機에 作用하는 힘

飛行 中인 飛行機에는 4個의 힘이 作用한다. 地球가 飛行機를 아래 方向으로 당기는 힘인 重力, 飛行機를 위로 밀어주는 陽曆, 飛行機의 엔진이 飛行機를 앞으로 밀어주는 推力, 飛行機의 나아가려는 方向과 反對로 作用하는 抵抗力인 抗力이 바로 그 4個의 힘이다.

이때 推力과 陽曆이 만들어지는 過程을 作用反作用의 原理로 說明할 수 있다. 于先 제트엔진에서 나온 排氣가스가 空氣를 미는 作用이 일어나면 空氣가 다시 排氣가스를 미는 反作用이 일어난다. 이로 因해 飛行機가 앞으로 나아가려는 힘인 推力이 만들어진다. 또한, 推力에 依해 飛行機가 앞으로 나아가게 되면 앞쪽을 向해 若干 들려 있는 飛行機 날개는 空氣를 미는 作用을 하고 空氣는 飛行機의 날개를 미는 反作用을 하게 된다. 이로 因해 飛行機가 위로 떠오르는 힘인 陽曆의 一部가 만들어진다.

또한 飛行機에서는 베르누이의 原理에 依한 作用들도 있다. 스위스의 科學者인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 1700 ~ 1782)는 流體가 連續的으로 흐를 때 좁은 곳을 지나면 流速이 增加한다는 事實을 發見하였다. 흐르는 물이 좁은 곳을 흐를 때는 빨라지고, 넓은 곳은 흐를 때는 느려지는 것을 보면 우리도 이 事實을 確認할 수 있다. 또한 베르누이는 “流體의 速力이 增加하면 壓力은 減少한다.”라는 베르누이의 定理를 發表하였는데 이것은 에너지 保存을 流體에 適用한 것이라고 말할 수 있다. 飛行機의 제트엔진에서도 空氣가 지나가는 通路의 面積을 변화시켜 排氣가스의 速力이 빠르게 變하도록 設計되어 있으며, 飛行機 날개에서도 아랫部分으로 들어오는 空氣가 날개에 부딪히며 速力이 느려지므로 날개 위쪽의 空氣와 速力이 달라지면서 베르누이 原理에 依해 壓力差異가 생기고 이것으로 인해 陽曆의 一部가 만들어진다. 飛行機의 날개는 離陸할 때, 飛行하는 동안, 着陸할 때 各各 狀況에 맞추어 模樣이 달라지므로 飛行機 날개 옆자리에 앉아 이를 觀察해 보는 것도 재미있는 經驗이 될 수 있다.

‘서울市立科學館’에서 베르누이의 原理를 살펴볼 수 있는 體驗物은 ‘B06 飛行機는 하늘을 어떻게 날까?’뿐만 아니라 G展示室의 ‘G11 빌딩 사이에서 바람이 어떻게 불까?’, R展示室의 ‘R05 空氣의 흐름 變化를 알아볼까?’가 있다. 다른 展示室에 있는 體驗물을 體驗하면서, 베르누이의 原理에 對해 더 仔細히 알아보자.

스피드건과 도플러 效果
스피드건의 速度 測定에는 도플러 效果가 利用된다. 움직이는 物體에 레이더 파를 發射하면 이 波動이 反射될 때 物體의 速度에 따라 波長이 달라지는 것을 利用하는 것이다. 도플러 效果란 빛이나 소리와 같은 波動을 發生시키는 物體(波源)가 運動할 境遇 그 波長이 元來보다 길어지거나 짧아지는 現象을 말하는데, 19世紀에 오스트리아의 크리스티안 도플러(Christian Doppler, 1803 ~ 1853)가 처음 發見했다. 앰뷸런스가 다가올 때는 높은 사이렌 소리가 나지만, 멀어질 때는 낮은 소리로 變하는 것이 바로 우리가 日常生活에서  經驗할 수 있는 도플러 效果의 代表的인 例이다. 이러한 現象이 發生되는 理由는 다음과 같다. 派원이 다가올 때는 첫 番째 波動을 發生시킨 뒤 더 가까이 移動하여 두 番째 波動을 發生시키므로 波長이 짧아지게 되고 이로 因해 振動數가 높아지게 되는 것이다. 그래서 높은 音의 소리를 듣게 되는 것이다. 超音速 航空機가 音速을 突破할 때 소닉붐(Sonic boom)이라는 爆發音과 水蒸氣 凝縮現象이 일어나는 것도 이러한 도플러 效果에 依한 現象이다.

고정식 카메라와 速度 測定
固定式 過速團束 카메라는 조금 다른 方式으로 速度를 測定한다. 바닥에 센서를 設置하고 두 센서에 感知되는 時間差異를 測定한다. 그러면 센서 사이의 距離와 時間을 통해 速度가 計算되는 것이다. 實際 道路에서라면 이 速度가 制限速力을 超過할 境遇 카메라가 車輛의 寫眞을 撮影하게 되는 것이다. 勿論 過速團束 카메라의 境遇에도 스피드건과 같이 도플러 效果를 利用해 速度를 測定하는 方式도 있다.

또한 體驗물에 있는 것처럼 한 地點에서 速度를 測定하는 方式의 境遇 特定 地點에서의 過速밖에 團束할 수 없다는 限界를 가지기 때문에 距離가 떨어져 있는 2個의 地點에 區間 過速團束카메라를 設置하여 적게는 約 3 km에서 길게는 約 15 km程度까지의 區間에 들어온 時間과 나가는 時間을 測定하여 團束을 하는 境遇도 있다.

電磁氣誘導 現象

電磁氣誘導 現象은 磁氣場의 變化가 電流의 變化를 만드는 現象이다. 이것은 덴마크의 物理學者이자 化學者인 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted, 1777 ~ 1851)가 發見했다. 1820年 외르스테드는 導線을 通過하는 電流가 近處의 羅針盤 바늘에 影響을 주지 않는다는 것을 보여주기 위해 ‘磁氣羅針盤 바늘에 미치는 電流의 效果’라는 主題로 實驗을 進行하고 있었다. 電流가 흐르는 導線을 羅針盤과 같은 높이로 옆에 두었을 때에는 아무런 反應이 없었지만 道詵을 羅針盤의 높이와 다르게 놓아두자 바늘이 움직였다. 나중에 외르스테드는 電流가 흐르는 導線 가까이에 놓아둔 羅針盤이 導線에 흐르는 電流의 方向과 90° 方向으로 돌아간다는 事實을 發見하였다. 이것은 나중에 電磁氣力을 利用하면 物體를 움직일 수 있다는 것을 發見한 歷史的 實驗이었다. 이것이 우리가 잘 알고 있는 電動機의 基本原理를 提示한 實驗이었던 것이다.

우리가 使用하는 交通카드 亦是 變化하는 磁氣場을 만드는 裝置와 가까워지면 交通카드 內部의 道詵에 電流가 흐르면서 情報를 주고 받게 되는 것이다. 또한 交通카드에 別途의 電源이 必要 없는 理由 亦是 交通카드 外部의 變化하는 磁氣場에 依해 電流가 만들어지기 때문이다. 우리가 使用하는 携帶폰 케이스 中에 交通카드를 넣은 채로 使用할 수 있는 케이스도 이러한 電磁氣誘導 現象을 考慮하여 만들어진 것이다.

아인슈타인의 腦

人類 歷史上 가장 똑똑한 天才가 누구냐고 묻는다면 大部分의 사람들은 아마 躊躇하지 않고 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~ 1955)을 꼽을 것이다. 그렇다면 果然 아인슈타인의 腦는 다른 사람들보다 더 클까? 正答은 No. 男子 成人의 平均 腦무게는 1400 g이다. 大動脈瘤로 破裂로 76歲의 나이에 死亡한 아인슈타인의 腦무게는 1230 g으로 아인슈타인은 오히려 平均보다 170 g 가벼운 腦를 가졌다.

아인슈타인은 죽기 前 自身의 몸을 火葬해 아무도 모르는 곳에 뿌려 달라는 遺言을 남겼지만 23年 後인 1978年 아인슈타인의 腦를 찍은 寫眞이 公開됐다. 寫眞을 公開한 사람은 뉴저지 먼슬리의 記者였다. 알고 보니 아인슈타인이 火葬되기 前 토마스 하비(Thomas Harvey, 1912 ~ 2007) 博士는 아인슈타인의 腦를 훔쳐 달아났고, 그의 腦를 硏究用으로 使用했다. 토마스 博士는 아인슈타인의 腦를 撮影했고 240조각으로 잘라냈다. 그 中 一部는 顯微鏡 觀察을 위해 슬라이드로 만들기까지 했다. 토마스 博士는 20餘 年間 아인슈타인 腦를 硏究하는데 沒頭했지만 아인슈타인의 腦가 1230 g으로 一般人의 腦보다 가볍다는 것 外에는 構造 및 機能에 있어서도 특별한 點을 찾아내지 못했다.

똑똑함이 腦의 크기로 決定되는 것이 아니라면 果然 무엇 때문일까?
最近 硏究結果를 보면 腦의 크기보다 神經細胞(뉴런)間의 連結이 重要하다는 點에 注目해야 한다. 神經細胞들이 네트워크로 많이 連結돼 있으면 腦에서 더 많은 量의 情報를 同時에 處理할 수 있다고 한다. 그리고 아인슈타인의 腦가 一般人과 달랐던 部分은 頭頂葉(마루葉) 하단 部位가 平均보다 15% 程度 크며 頭頂葉과 側頭葉(관자葉) 사이의 고랑이 더 많은 神經細胞로 채워져 있다고 한다.

腦의 構造와 機能

사람의 腦를 小宇宙로 表現하기도 한다. 宇宙의 神祕를 다 밝히지 못하고 있는 것처럼 베일에 가려진 腦는 人間이 알아내지 못한 메커니즘이 매우 많다. 工夫를 할 때나 親舊와 수다를 떨 때 腦 속에서는 무슨 일이 일어날까?

腦 面積의 約 7/8을 차지하는 大腦는 腦의 가장 바깥쪽에 있는 大腦겉質과 그 안쪽 아래에 있는 邊緣系로 나눌 수 있다. 便娟系는 主로 本能的인 行動과 情緖, 學習과 記憶 等 개나 고양이에서도 觀察되는 行動에 關與하는 反面, 大腦겉質부는 高度의 思索과 判斷, 創造의 源泉이다. 言語를 使用해서 對話를 하는 動物은 사람뿐이니 親舊들과 수다를 떨고 深刻한 對話를 할 때에는 大腦皮質의 神經網이 活潑하게 作動한다. 이곳에는 神經細胞가 無慮 140億 個나 모여 있다. 머리가 좋거나 나쁘다는 大腦겉質의 各 領域이 얼마나 잘 發達했는지로 判別이 난다. 大腦겉質을 발달시키는 方法으로는 冊 읽기, 兩손 쓰기 等이 있다.

强한 빛 때문에 눈이 부실 때는 中間腦의 作用으로 虹彩를 收縮시켜 덜 눈부시게 주며, 그 밖에 호르몬 分泌, 體溫이나 食用調節 等을 役割도 한다.

金姸兒나 손연재가 펼치는 멋진 몸의 技術은 小腦의 作用이 매우 重要하다. 坪型, 몸의 位置, 空間 運動을 調節하면서 우리 몸의 레이더 役割을 하는 運動 中樞인 小腦는 簡單한 學習 方法을 記憶하는 機能도 있으며 反復 練習을 통해 重要한 運動 技術을 習得하고 記憶할 수 있도록 해주는 運動 記憶 機能을 擔當한다. 水泳이나 自轉車를 한 番 배우고 한동안 하지 않아도 잊지 않고 몇 年이 지나도 또 할 수 있는 것이 小腦 德分이다.

神經傳達物質

工夫하기, 생각하기, 對話하기 等 人間의 모든 精神 作用과 여러 活動을 主管하는 腦의 機能은 ‘神經傳達物質’이라는 化學 物質에 依해 이루어진다. 腦를 이루는 神經細胞는 數千에서 數萬 個의 神經細胞와 信號를 주고받는데, 神經傳達物質은 이 信號를 주고받을 수 있게 해준다.

神經細胞의 接合 部位를 시냅스라 하며 이 間隔을 뛰어 넘어 刺戟을 傳達하기 위해서 반드시 神經傳達物質이 必要하다. 神經傳達物質은 神經 纖維 末端部의 조그마한 주머니인 小胞體에 貯藏되어 있다가 神經 情報가 電氣的 信號로 神經 纖維막을 통해 末端部로 傳播되어 오면 小胞體가 神經 細胞膜과 接合한 後 터져서 神經傳達物質이 시냅스 間隔에 遊離된다.

遊離된 傳達物質은 1/20000mm 程度의 짧은 間隔을 흘러서 다음 神經 細胞膜에 到達하며, 細胞膜에 있는 특수한 構造와 結合함으로써 興奮이 傳達된다. 이 특수한 構造는 情報를 받아들이는 物質이라는 意味에서 ‘受容體’라고 하며, 蛋白質로 構成되어 있다. 다시 말해 神經傳達物質은 一種의 열쇠이며 이를 받아들이는 受容體는 열쇠 구멍에 該當되는데, 傳達 物質인 열쇠가 受容體인 열쇠 구멍에 맞게 結合함으로써 다음 神經 細胞膜에 있는 大門이 열려 情報가 傳達되는 것이다. 이렇듯 神經傳達物質은 各自 特有의 受容體 分子하고만 結合하여 特定 情報를 傳達한다.

神經傳達物質의 種類
最近까지 腦에는 60餘 種類가 넘는 神經傳達物質이 있음이 밝혀졌다. 이것은 크게 아미노산 系列, 펩타이드 系列, 모노아민 系列로 나눠볼 수 있다.

1) 아미노산 系列 : 아미노산은 生物體의 몸을 이루는 蛋白質의 가장 基本的인 構成單位인데, 아미노산 系列의 神經傳達物質 中에서 우리에게 친숙한 것 中 하나가 調味料를 만드는 主原料로 使用된다. 또한 學習能力과 記憶能力에 核心的 役割을 遂行한다고 알려져 있다. 또한, 감마아미노酪酸은 哺乳動物의 頭腦 속에만 있는 아미노산으로 脊椎動物의 中樞神經系에서 神經興奮을 調節하는 抑制性 化學傳達物質로 頭腦에서 葡萄糖 分解 促進 및 腦機能을 促進하는 役割을 遂行하기도 한다.

2) 펩타이드 系列 : 펩타이드는 2個 以上의 아미노산 分子로 構成되는 化學物質을 말한다. 神經傳達物質로써의 펩타이드는 普通 10個 以上의 아미노산 사슬로 構成된다. 이 펩타이드는 뉴런이 興奮했을 때 放出된다.

3) 모노아민 系列 : 모노아민 系列은 特定한 뉴런들의 集合으로 만들어진다. 가장 친숙한 아세틸콜린은 血管擴張劑로서 作用하여 心臟搏動 및 收縮을 減少시켜 心血關係를 包含한 수많은 身體器官에 影響을 미친다. 또한 위의 蠕動運動 및 消火器의 收縮을 증가시키며, 膀胱의 容量을 감소시키고 放尿押을 증가시키는 作用을 하여 泌尿界에 影響을 미친다. 도파민은 아드레날린이나 노르에피네프린의 前驅體(特定 物質이 되기 前 段階의 物質)로 意欲,幸福,記憶,認知,運動 調節 等 腦의 다양한 機能과 聯關이 있다. 도파민은 運動 神經을 活性化하거나 비활성화하는 데 作用하여 筋肉이 安定的으로 움직일 수 있도록 調節한다. 따라서 도파민이 不足해지면 파킨슨 甁처럼 움직임이 鈍해지고 不安定해진다. 또한 도파민의 機能은 幸福感을 느끼게 하며, 도파민 分泌가 많아지면 意欲과 興味를 느끼게 된다. 한便, 세로토닌은 氣分, 體溫調節, 苦痛認識, 睡眠 等에 影響을 준다. 또한, 세로토닌은 血小板에서 血淸 속으로 放出되어 血管을 수축시킴으로써 止血作用을 돕는 物質이다. 세로토닌은 幸福感을 느끼게 하며 食慾을 떨어뜨리는 役割을 한다. 反面 不足하면 憂鬱症이나 不安症을 誘發하기 쉽다.

腦의 集中力

市中에는 集中力을 높일 수 있다며 온갖 種類의 藥, 飮食, 音樂, 冥想法, 高價의 機器까지 商業的인 廣告와 함께 數없이 팔리고 있다. 或是 여러분도 한 가지 程度 사본 經驗이 있는가? 나의 集中力은 좋은 便인가? 果然 集中力은 腦의 어디에서 나오는 것이며 集中力을 높이기 위해서는 어떻게 하면 좋을까?

記憶과 學習의 核心 機關은 바로 海馬이다. 海馬는 귀 뒤 附近, 大腦 側頭葉의 안쪽 깊숙이 자리 잡고 있으며 아주 敏感하다. 週 役割은 日常의 事件과 情報를 記憶하고 分類하는 것이다. 海馬는 우리가 每 瞬間瞬間 겪는 일이 어떤 順序로 일어났는지를 알려주며, 時間과 場所를 把握하고 끊임없이 座標 情報를 업데이트한다. 이 重要한 海馬가 스트레스에 매우 弱하다. 며칠間의 스트레스로는 回復이 可能하지만 몇 달 或은 몇 年間 持續的인 스트레스는 海馬의 뉴런을 完全히 죽일 수도 있다고 한다. 스트레스를 받게 되면 우리 몸은 아드레날린이 分泌되어 警戒心을 높이고 記憶力을 銳敏한 狀態로 만들고, 두 番째로 副腎에서 分泌되는 코르티솔은 體內 蓄積된 글리코젠을 葡萄糖으로 전환시키는 役割도 하지만 海馬의 뉴런을 損傷시키기도 하는 것이다. 集中力을 높이는 다양한 方法이 있지만 여기서는 네 가지의 方法을 紹介한다.

1) 運動 : 運動은 身體뿐만 아니라 腦에도 有益하다. 規則的인 運動과 新鮮하고 營養이 豐富한 食品이 結合될 때 腦에 더 많은 血液과 酸素를 供給하게 된다. 이렇게 되면 知能을 包含한 高度의 集中力이 增加하게 된다. 또 運動을 하면 氣分을 좋게 하는 엔도르핀을 腦에서 分泌시켜 注意力을 떨어뜨리거나 알츠하이머病 危險을 增加시키는 憂鬱症을 막는 데 도움이 된다.

2) 冥想 : 冥想은 腦 機能을 向上시키고 集中力도 改善시킨다. 冥想은 여러 가지 複雜한 생각을 없애고 精神을 平穩하게 해 한 番에 한 가지 일에 集中할 수 있도록 한다. 冥想을 통해 雜念을 없애고 힘든 業務를 다룰 때 걱정과 否定的인 感情을 줄일 수 있다.

3) 頭腦 게임 : 바둑이나 將棋, 체스와 같은 게임들이나 腦 活動을 增强시킬 수 있는 온라인 게임 等은 問題나 수수께끼를 풀게 하고 記憶力을 使用하게 함으로써 集中力이 向上되는 效果가 있다. 이는 더 좋은 點數를 얻기 위해 게임을 즐기면서 하다 보면 自身도 모르는 사이에 生活의 다른 領域에서도 集中力이 向上된다. 注意 集中 時間이 減少하는 主要 原因 中 하나는 腦의 도파민 數値가 不足하기 때문인데 게임을 하면서 成就感과 함께 도파민 分泌가 增加할 수 있다.

4) 頭腦 食品 : 集中力을 向上시키는 飮食을 먹는 것도 좋은 方法이다. 바나나는 腦 機能 活性化에 좋은 과일이다. 한 硏究에 따르면 試驗 前에 바나나를 먹은 學生들은 먹지 않은 學生들보다 훨씬 좋은 成跡을 거둔 것으로 나타났다. 또 시금치는 ‘頭腦 食品’으로 알려져 있다. 시금치에는 루테인과 葉酸, 베타카로틴이 豐富하게 들어있는데 이 營養素들은 頭腦를 活性化해 癡呆를 豫防하는 것으로 알려져 있다. 오메가-3 脂肪酸 系列의 高度不飽和脂肪酸인 DHA가 많이 들어있는 달걀도 集中力 向上에 도움을 준다. DHA를 適當히 攝取하면 記憶力 向上과 氣分을 좋게 해준다. 오메가-3 脂肪酸이 豐富한 鰱魚와 精神的인 覺醒과 集中力을 向上시키는 成分인 테아닌이 들어있는 綠茶 等도 集中力 向上에 좋은 食品들이다.

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自律神經系, 錯視現象, 殘像效果

 腦의 影響을 받지 않아요

心臟搏動, 呼吸, 消化 等은 우리가 의식하지 못한채 이루어진다. 이 作用은 自律神經系에서 調節하는데, 交感神經과 副交感神經으로 構成된다. 이는 서로 反對 作用을 하며 均衡을 이룬다. 激한 運動을 하거나 緊張과 스트레스를 느끼면, 交感神經이 刺戟을 받아 內部器官이 活性化된다. 反面에 밤하늘의 별이나 夜景을 볼 때는 副交感神經 때문에 온몸이 平穩해진다.

 腦도 錯覺을 해요

서울의 夜景을 演出한 조이트로프(zoetrope)를 빠르게 회전시키면서 스트로보 照明을 비추면, 달, 사람, 自動車 模型 等이 살아 움직이는 것처럼 錯覺하게 되는 錯視現象이 나타난다. 이는 눈을 통해 본 事物의 모습이 짧은 時間 동안 腦에 남는 殘像效果 때문이다. 映畫나 애니메이션은 이러한 原理를 利用하여 만든다.

座標平面과 데카르트
近代 哲學의 아버지로 불리는 르네 데카르트(Rene Descartes, 1596∼1650)는 어느 날 寢臺에 누워 思索에 잠겨 있다가 天障에 붙어 기어 다니는 파리 한 마리를 보고, 파리의 位置를 쉽게 標示하기 위해 苦悶했다. 그는 바둑板 模樣과 같이 가로와 세로 줄을 그어 나가면 되겠다는 생각을 떠올렸고, 그의 이러한 생각이 座標平面을 考案해낸 契機가 되었다. x軸과 y축이라는 두 個의 直線으로 이뤄진 座標體系에서는 두 個의 수만 있으면 點의 位置를 나타낼 수 있게 된 것이다. 이는 空間의 位置(幾何學)를 座標(代數)로 나타내었다는 點에서 幾何學에 代數的 解法을 適用한 重要한 出發點이라고 말할 수 있다. 데카르트가 考案한 座標는 數學史에서 매우 重要한 事件으로, 圖形과 修飾을 連結할 수 있는 解析幾何學의 始作이었다.

座標의 活用은 無窮無盡하다. 直線은 勿論 圓이나 楕圓, 抛物線 等의 曲線도 點의 位置를 보여 주는 方程式만으로 座標平面 위에 쉽게 나타낼 수 있다. 地球의 가로軸人 僞善을 利用한 緯度와 세로 軸인 競選을 利用한 傾倒는 現在 世界 모든 나라의 位置를 쉽게 表現할 수 있게 해준다. 南韓과 北韓의 境界인 38線이 緯度를 基準으로 命名되었다는 것도 우리가 잘 알고 있는 常識이다. 또한 우리가 흔히 쓰는 地圖, 내비게이션, 建築, 3次元 디자인 프로그램 等 座標는 多樣한 分野에서 活用되고 있다.

빛의 性質
빛은 同一한 媒質 內에서는 直進하는 性質을 가지고 있다. 하지만 매질이 다른 物質을 만나면 方向이 變하는 反射나 屈折이라는 現象이 發生한다. 이 體驗物에서 平行블록과 對稱블록에는 平面거울이 附着되어 있는데, 이 거울面에서는 反射가 일어난다. 平面거울에서 反射가 일어날 때에는 빛이 거울로 들어오는 角度인 入射角과 거울에서 나가는 角度인 反射角이 同一하다. 이를 反射의 法則이라고 한다. 블록을 움직이면서 레이저의 進行方向이 바뀌는 것을 통해 反射의 法則을 確認할 수 있다.

區分求積法

區分求積法의 아이디어를 발전시킨 數學的 槪念은 바로 積分이다. 古代 이집트에서는 江이 汎濫할 때마다 土地의 境界線이 사라지는 問題가 있었다. 그래서 이를 解決하기 위해 曲線으로 둘러싸인 땅의 넓이를 測定해야 했는데, 이 때 땅을 잘게 나눈 다음 合하는 方法을 使用했다. 이것이 積分의 基本 아이디어가 되었다. 또한, 아르키메데스(Archimedes, BC282 ~ BC212)가 直線과 曲線으로 둘러싸인 部分의 넓이를 작은 三角形으로 나누어 求하였고, 요하네스 케플러(Johannes Kepler, 1571 ~ 1630)는 立體圖形의 부피를 求하는데 區分求積法에 對한 아이디어를 活用하기 始作하면서 積分의 槪念은 더욱 精巧해졌다. 이와 같이 數學的 發展을 거친 結果, 부피와 面積에 對한 보다 精巧한 計算이 可能해졌고 地圖 作成 等 여러 分野에서 積分이 쓰이고 있다.

또한, 우리가 積分과 함께 工夫하는 微分은 17世紀 아이작 뉴턴과 라이프니츠에 依해 完成되었지만 이때까지만 하더라도 積分과는 無關하였다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1643 ~ 1727)은 物理의 槪念들을 整理하면서 微分의 槪念을 발전시켰고, 고트프리트 라이프니츠(Gottfried Leibniz, 1646 ~ 1716)는 函數의 그래프를 分析하면서 微分의 槪念을 發展시켰다. 이 둘은 같은 時期에 別個로 硏究를 하였으나 結局 微分이라는 같은 結果를 導出하였다.

그 後 微分과 積分은 서로 逆演算 關係가 있음을 後代 數學者들이 밝혀 내면서 微積分이라는 連結된 槪念으로 자리잡았다. 이러한 微積分은 움직임 또는 變化를 數學的으로 分析하는 道具이고, 부피와 面積을 計算하는데도 有用하다.

별자리를 이루는 별들은 地球까지의 距離가 모두 다르다. 별자리란 보이는 별들을 묶어 하나의 模樣으로 보는 것이다. 별들은 單位 時間 內에 뿜어내는 빛에너지의 量과 表面溫度가 달라서 色깔도 다양하게 나타난다.

별자리의 별들은 어떻게 이름이 붙여질까?
별자리의 별들 中 밝은 順序대로 그리스 文字를 附與하고 그 뒤로 별자리의 所有格을 붙여 學名을 完成하였다.

별들의 色깔은 왜 다를까?
별의 色깔은 表面溫度에 따라 달라지는데 溫度가 높을수록 파란色, 낮을수록 붉은色이 剛하게 보인다.

별의 밝기가 다른 理由는?
겉보기 等級은 맨눈으로 보이는 별의 밝기를 等級으로 나타낸 것이다. 가장 밝은 별은 1等級, 가장 어두운 별은 6等級이며, 둘 사이의 밝기 差異는 100倍이다. 絶對等級은 모든 별들이 地球에서 10pc(32.6 光年) 떨어진 距離에 있다고 假定했을 때의 별의 밝기이다. 絶對等級이 작을수록 實際로 밝은 별이다.
겉보기 等級-絶對等級 값이 작을수록 가까이에 있는 별이고 클수록 멀리 있는 별이다.

日本의 교토大 靈長類硏究所는 靈長類 硏究에 있어 獨自的인 硏究 成果를 내 왔다. 現在 13種 1200마리의 靈長類를 保有하고 있다. 滅種危機種인 침팬지를 12마리나 保有한 大學은 世界的으로도 이곳밖에 없다고 한다.

硏究所의 마쓰者와 데쓰로(松澤哲郞) 特別敎授는 1977年부터 40年 동안 아프리카 기니와 日本을 오가며 침팬지의 認知 能力과 記憶力을 硏究하는 ‘아이 프로젝트’를 推進 中이다. 그는 침팬지에게 數字, 色깔, 言語, 가위바위보를 가르쳤다. 그러던 中 침팬지의 뛰어난 瞬間 記憶力을 發見해 學界를 놀라게 했다. 마쓰者와 敎授는 처음으로 침팬지가 一部 指摘 領域에서 人間을 凌駕한다는 걸 發見했다고 말한다.

人間과의 對決에서 침팬지 아유무는 더 빠르고 正確하게 數字 配列을 記憶해 냈다. 每番 位置를 바꾸며 100番을 되풀이했는데 正答率이 80%가 넘었다. 마쓰者와 敎授는 瞬間 記憶力에 한해서는 어떤 人間도 침팬지를 이길 수 없다고 斷言한다. 

침팬지 아유무는 8歲 때 世界 記憶力 챔피언인 벤 프리드母語를 이긴 記憶力의 天才다. 아유무의 어머니인 아이와 함께 1∼9까지의 數字를 번갈아가면서 順序대로 터치해 協業 能力이 人間의 專有物이 아님을 證明했다. 硏究所의 침팬지는 3個의 大型 施設에 居住하는데 願할 때 자유롭게 와서 테스트에 參加하고 飼料를 받아가는 式으로 學習이 進行된다. 

普通 사람은 20~20,000헤르츠 範圍의 周波數를 가진 소리를 들을 수 있다. 사람이 相對의 말을 알아들을 수 있는 會話 音域은 250~2,000Hz程度고, 서로 對話할 때 가장 便安한 可聽 周波數는 200~500Hz이다. 사람마다 年齡 또는 健康狀態에 따라 可聽周波數 範圍가 若干씩 달라진다.

朝鮮時代의 天文臺

貫穿대는 朝鮮時代의 天文觀測대로 小簡儀臺, 또는 瞻星臺라고 부르기도 했다.
觀測臺에서는 하늘에서 일어나는 모든 現象을 끓임없이 觀測하였으며, 王朝의 길과 흉을 점치는 데도 活用되었다. 關賤待에서 氣象 狀態를 天文學 官員이 낮과 밤으로 交代하며 記錄하였는데, 이 高록은 以前 時代의 天文 科學 活動을 보여주는 매우 貴한 歷史 資料입니다.

어디가면 볼 수 있을까?
1988年(肅宗 14年)에 昌德宮 金虎門 밖에 築造되었으나, 現在는 昌慶宮으로 옮겨졌다.

關賤待 위에 設置된 觀測氣球, 間의

簡儀는 天體의 位置를 把握하고, 땅의 地形 中 方位와 古都를 測量하며, 時間을 正確하게 出廷할 수 있는 朝鮮時代 代表的인 天文觀測 機器입니다. 世宗大黃 在位期間 中 天體와 時間을 觀測하기 위해 簡儀를 設置하였는데, 처음에는 나무로 簡儀를 試驗製作하여 漢陽(서울)의 緯度를 測定한 後 靑銅으로 簡儀를 製作했다.

멀미를 하는 理由 멀미란 눈으로 느끼는 흔들림과 平衡器官으로 느끼는 흔들림의 程度가 서로 一致하지 않을 때 經驗하는 어지러움이다. 눈은 事物을 보고 視神經을 통해 小腦로 均衡을 잡으라는 命令을 傳達하고 발바닥은 푹신하거나 물렁한 感覺을 느껴 小腦로 傳達해 均衡을 잡는다. 內耳의 세半고리管과 前庭器官이 平衡感覺을 느낄 수 있기 때문에 우리의 귀는 소리를 듣는 役割을 할 뿐 아니라 均衡을 잡는 平衡感覺까지 擔當한다. 귓속 세半고리管과 前庭器官에는 림프액이 차있는데, 몸을 움직이면 림프액이 움직이면서 感覺 細胞를 刺戟하고, 神經을 통해 小腦로 信號를 傳達해 몸의 均衡을 잡는다. 멀미는 膈한 흔들림이 있을 때 세 가지 感覺이 腦에서 體系化 되지 않아서 發生한다.

 귀 밑에 붙이는 멀미藥의 原理

 멀미를 豫防하기 위해 여러가지 方法이 있지만 가장 흔한 것으로 귀 밑에 멀미藥을 붙이곤 한다. 이 位置에 붙이는 것은 귀에 있는 前庭器官 때문이다. 前庭器官은 身體의 平衡感覺을 느끼게하는 아주 銳敏한 機關이다. 귀 밑에 붙이는 멀미藥에는 ‘스코폴라민’ 成分이 包含되어 있고 前庭器官을 아주 弱하게 마비시켜 刺戟을 줄여주는 役割을 해서 멀미를 녜房할 수 있게 해주는 것이다. 이 패치型은 귀 밑 뿐만 아니라 어디에 붙여도 全身으로 藥이 퍼져서 效果가 나지만 가장 빠른 效果의 副作用을 줄이기 위해서 귀와 가장 가까운 곳에 붙이는 것이다.

色을 보는 原理

不透明한 物體는 物體가 反射한 빛의 色으로 物體가 보이며 透明한 物體는 物體를 通過하는 빌의 色으로 보인다.

照明에 따른 物體의 色

白色光이 아닌 單色과 아래에 物體가 있는 境遇엔 어떻게 될까? 같은 物體라도 照明의 色에 따라 物體의 色을 다르게 認識하게 된다.

개와 사람은 같은 色을 볼까?

개는 色을 보는 圓錐細胞의 手가 사람의 1/5 밖에 되지 않는다. 사람의 圓錐細胞는 種類에 따라 파란色과 草綠色, 빨간色에 反應하는 反面, 個의 圓錐細胞는 보라色과 노란色을 感知한다. 그래서 빨간色과 노란色이 섞인 朱黃色은 個의 눈에 노란色으로 보인다.

아이작 뉴턴(1642-1727)

뉴턴은 17世紀 物理學에 큰 貢獻을 한 人物 中 한 名이다. 그는 物體의 運動 뿐 아니라 빛의 現象에도 큰 關心을 갖고 있었는데, 뉴턴의 이中 프리즘 實驗은 그 當時의 빛과 色에 關한 觀念을 크게 바꾸어 놓았다.

프리즘의 分散
빛이 媒質에서 다른 媒質로 進行할 때 매질에 따라 빛의 速度가 달라지기 때문에 屈折이 일어나게 된다. 이때 빛은 波長에 따라 여러 가지 色으로 分散된다. 빛의 分散을 통해 色이 없는 빛이 實際로는 무지개色을 띄는 것을 確認할 수 있다.

뉴턴의 이中 프리즘 實驗

뉴턴은 이中 프리즘 實驗은 白色光에서 여러 色의 빛으로 分離된 單色光이 다시 分離될 수 있는지 알아보는 實驗이었다. 이 實驗을 통해 빛은 固有한 色을 가지고 있으며 色이 反射되거나 透過되면서 變하지 않는 다는 것을 證明했다.

빠르게 달리는 自轉車가 넘어지지 않는 理由는?

빠른 速度로 굴러가는 바퀴는 回轉하려는 運動狀態를 繼續 維持하려고 하기 때문에 바퀴의 回轉 軸이 變하는 것을 막아 쉽게 넘어지지 않는다.
 
角運動量 保存의 法則
回轉하는 强制는 回轉하는 軸을 쉽게 바꾸려 하지 않는다.
이는 角運動量 保存과 密接한 關係가 있다. 强制로 軸을 기울여도 總 角運動量의 크기는 처음과 恒常 같다. 角運動量 原理를 利用한 機械에는 ‘자이로스코프’價 있다.

자이로스코프의 日常 속 活用
자이로스코프는 바퀴의 軸을 상중고리에 連結해 어느 方向이든 回轉할 수 있도록 만든 裝置로 方向을 알아내고 維持하는데 쓰인다. 자이로스코프는 日常生活에 다양하게 使用되고 있는데 代表的인 例로 스마트폰과 飛行機, 宇宙船이 있다. 스마트폰에는 자이로스코프 센서가 달려있어 우리의 움직임을 感知하고 方向을 測定할 수 있게 도와주고, 特히 게임에 많이 使用되고 있다. 또한 자이로스코프가 일정한 方向을 가리키며 처음 設定한 回轉軸의 方向을 維持하기 때문에 禹저選의 平衡을 維持해준다.