과학에서 사용하는 기본단위

과학은 측정에서 비롯된다. 측정은 어떤 물리량을 재는 것인데, 물리량에는 길이, 면적, 부피, 질량, 무게, 속도, 온도, 힘, 에너지, 압력, 전기, 소리 등 여러 가지가 있다. 이러한 물리량에 의미를 부여한 것이 단위이며, 이는 과학의 기본이 된다.

옛날부터 물건의 크기나 양을 잴 때 가장 편한 방법이 신체를 기준으로 한 것으로 발의 길이를 기준으로 한 길이 단위인 피트(feet), 사람이 한 번에 입에 넣을 수 있는 물의 양 1홉 등이 있다. 이러한 기준은 각 나라마다 달라서 외부 지역과 교역을 하거나 물건을 만들 때 단위가 맞지 않아 불편한 일이 많아 발생했다. 심지어 권력자들에 의해서 단위가 조작되기까지 하였다. 따라서 국제사회에서는 통일된 단위의 필요성이 커졌다.

1789년 프랑스 혁명을 계기로 불합리한 단위체계를 하나로 통일하게 되는데 이것이 ‘미터법’이다. 미터법 단위계는 1875년 파리에서 체결된 미터조약에 의하여 제정된 이래 세계 각국에 보급되어 관측이나 측정 분야에 널리 이용되어 정치, 경제, 사회 모든 분야에서 불평등을 해소하고, 신뢰할 수 있는 사회를 만드는데 큰 기여를 하게 된다.

1954년 제10차 국제 도량위(CGPM) 총회에서는 실용적인 관측 단위계의 기본 단위로서 길이, 질량, 시간, 전류, 열역학적 온도, 광도의 6개 물리량을 채택하였으며 1960년 제11차 CGPM 총회에서는 전류의 단위인 암페어(A)를 기본단위로 한 MKSA 단위가 국제통일단위로 결정되었다. 동시에 열역학온도는 켈빈(K), 광도는 칸델라(cd)도 기본단위로 선정되었고, 이 단위체계를 ‘국제단위계(SI)’라고 이름 지었으며, 접두어, 유도단위 및 추가 단위에 대한 원칙을 확립하였다.

1971년 회의에서는 7번째의 기본단위인 몰(mole)이 추가 되었고, 국제단위(SI)계 물리량으로 센티미터(cm)·그램(g)·초(s)로 나타낸 것을 CGS 단위, 미터(m)·킬로그램(kg)·초(s)로 나타낸 것을 MKSA 단위라 정하였다. 우리나라의 계량법도 SI에 준해서 규정하고 있다.

특히, SI 기본단위 중에서 ‘켈빈(K)’의 기준이 되는 ‘물의 삼중점’은 O전시실 ‘O14 압력을 변화시키면 물은 어떻게 될까?’에서도 중요하다. 다른 전시실에 있는 체험물을 체험하며, ‘물의 삼중점’에 대해서 더 자세히 알아보자.

유도단위
길이, 질량, 시간 등 물리적인 양을 측정할 때는 기준이 되는 양의 몇 배가 되는가로 나타낸다. 이때 기준이 되는 양을 단위라고 한다. 단위는 어떤 양에 대해서도 임의의 크기로 약속할 수 있다. 그러나 단위를 여러 양에 대하여 하나하나 규정하여 사용하면 많은 수의 단위가 만들어지면서 다루기가 매우 불편해지게 된다. 따라서 기본이 되는 몇 개의 단위만을 정하고, 다른 양의 단위는 물리법칙 또는 그 정의에 따라 이 기본단위를 조립해서 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 단위를 ‘유도단위’라 한다.

‘유도단위’는 물리법칙을 기본으로 하여 기본단위들의 조합으로 만들어진다. 예를 들면 길이의 단위를 m, 시간의 단위를 초(s)로 했을 때, 속력은 길이/시간 이므로 속력의 단위는 m/s, 가속도는 속력변화량/시간 이므로 단위는 m/s2  이 되는데 이들이 ‘유도단위’에 해당한다. 이러한 유도 단위로는 넓이는 ㎡, 부피는 ㎥ 등이 있다.

이 밖에 특수한 분야의 계량에 쓰이는‘특수단위’나 기본단위 및 유도단위를 십진배수나 분수로 표시한 ‘보조단위’ 가 있다.
 
특수단위
특수단위는 특수한 용도로 사용이 허용된 단위로 습도(%)나 소리의 상대적 크기를 나타내는 데시벨(dB), 작은 입자들의 운동에너지 양인 전자볼트(eV), 항해나 항공에서 거리를 나타내는 단위인 해리, 해상도를 나타내는 화소(pixel) 등이 있다. 인체에 영향을 미치는 방사선 양은 ‘시버트(sv)’로 나타낸다. ‘시버트’는 방사선 방호 연구에 공헌한 스웨덴 물리학자 롤프 시버트(Rolf Maximilian Sievert, 1896~1966) 이름에서 유래됐다. Sv는 방사선의 형태와는 관계없이 그 방사선으로 인한 일정한 생물학적 효과만을 나타내는 단위로 방사성 물질에서 나오는 방사선의 종류와 신체 각 부위가 받는 영향을 포함하는 수치다.
 
보조단위
보조단위로는 1/1000을 나타내는 밀리(m), 1000배를 나타내는 킬로(k), 100만 배를 의미한 마이크로(µ) 등이 있다. 예를 들면 킬로미터(km), 마이크로미터(um), 킬로그램(kg)

비행기에 작용하는 힘

비행 중인 비행기에는 4개의 힘이 작용한다. 지구가 비행기를 아래 방향으로 당기는 힘인 중력, 비행기를 위로 밀어주는 양력, 비행기의 엔진이 비행기를 앞으로 밀어주는 추력, 비행기의 나아가려는 방향과 반대로 작용하는 저항력인 항력이 바로 그 4개의 힘이다.

이때 추력과 양력이 만들어지는 과정을 작용반작용의 원리로 설명할 수 있다. 우선 제트엔진에서 나온 배기가스가 공기를 미는 작용이 일어나면 공기가 다시 배기가스를 미는 반작용이 일어난다. 이로 인해 비행기가 앞으로 나아가려는 힘인 추력이 만들어진다. 또한, 추력에 의해 비행기가 앞으로 나아가게 되면 앞쪽을 향해 약간 들려 있는 비행기 날개는 공기를 미는 작용을 하고 공기는 비행기의 날개를 미는 반작용을 하게 된다. 이로 인해 비행기가 위로 떠오르는 힘인 양력의 일부가 만들어진다.

또한 비행기에서는 베르누이의 원리에 의한 작용들도 있다. 스위스의 과학자인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 1700 ~ 1782)는 유체가 연속적으로 흐를 때 좁은 곳을 지나면 유속이 증가한다는 사실을 발견하였다. 흐르는 물이 좁은 곳을 흐를 때는 빨라지고, 넓은 곳은 흐를 때는 느려지는 것을 보면 우리도 이 사실을 확인할 수 있다. 또한 베르누이는 “유체의 속력이 증가하면 압력은 감소한다.”라는 베르누이의 정리를 발표하였는데 이것은 에너지 보존을 유체에 적용한 것이라고 말할 수 있다. 비행기의 제트엔진에서도 공기가 지나가는 통로의 면적을 변화시켜 배기가스의 속력이 빠르게 변하도록 설계되어 있으며, 비행기 날개에서도 아랫부분으로 들어오는 공기가 날개에 부딪히며 속력이 느려지므로 날개 위쪽의 공기와 속력이 달라지면서 베르누이 원리에 의해 압력차이가 생기고 이것으로 인해 양력의 일부가 만들어진다. 비행기의 날개는 이륙할 때, 비행하는 동안, 착륙할 때 각각 상황에 맞추어 모양이 달라지므로 비행기 날개 옆자리에 앉아 이를 관찰해 보는 것도 재미있는 경험이 될 수 있다.

‘서울시립과학관’에서 베르누이의 원리를 살펴볼 수 있는 체험물은 ‘B06 비행기는 하늘을 어떻게 날까?’뿐만 아니라 G전시실의 ‘G11 빌딩 사이에서 바람이 어떻게 불까?’, R전시실의 ‘R05 공기의 흐름 변화를 알아볼까?’가 있다. 다른 전시실에 있는 체험물을 체험하면서, 베르누이의 원리에 대해 더 자세히 알아보자.

스피드건과 도플러 효과
스피드건의 속도 측정에는 도플러 효과가 이용된다. 움직이는 물체에 레이더 파를 발사하면 이 파동이 반사될 때 물체의 속도에 따라 파장이 달라지는 것을 이용하는 것이다. 도플러 효과란 빛이나 소리와 같은 파동을 발생시키는 물체(파원)가 운동할 경우 그 파장이 원래보다 길어지거나 짧아지는 현상을 말하는데, 19세기에 오스트리아의 크리스티안 도플러(Christian Doppler, 1803 ~ 1853)가 처음 발견했다. 앰뷸런스가 다가올 때는 높은 사이렌 소리가 나지만, 멀어질 때는 낮은 소리로 변하는 것이 바로 우리가 일상생활에서  경험할 수 있는 도플러 효과의 대표적인 예이다. 이러한 현상이 발생되는 이유는 다음과 같다. 파원이 다가올 때는 첫 번째 파동을 발생시킨 뒤 더 가까이 이동하여 두 번째 파동을 발생시키므로 파장이 짧아지게 되고 이로 인해 진동수가 높아지게 되는 것이다. 그래서 높은 음의 소리를 듣게 되는 것이다. 초음속 항공기가 음속을 돌파할 때 소닉붐(Sonic boom)이라는 폭발음과 수증기 응축현상이 일어나는 것도 이러한 도플러 효과에 의한 현상이다.

고정식 카메라와 속도 측정
고정식 과속단속 카메라는 조금 다른 방식으로 속도를 측정한다. 바닥에 센서를 설치하고 두 센서에 감지되는 시간차이를 측정한다. 그러면 센서 사이의 거리와 시간을 통해 속도가 계산되는 것이다. 실제 도로에서라면 이 속도가 제한속력을 초과할 경우 카메라가 차량의 사진을 촬영하게 되는 것이다. 물론 과속단속 카메라의 경우에도 스피드건과 같이 도플러 효과를 이용해 속도를 측정하는 방식도 있다.

또한 체험물에 있는 것처럼 한 지점에서 속도를 측정하는 방식의 경우 특정 지점에서의 과속밖에 단속할 수 없다는 한계를 가지기 때문에 거리가 떨어져 있는 2개의 지점에 구간 과속단속카메라를 설치하여 적게는 약 3 km에서 길게는 약 15 km정도까지의 구간에 들어온 시간과 나가는 시간을 측정하여 단속을 하는 경우도 있다.

전자기유도 현상

전자기유도 현상은 자기장의 변화가 전류의 변화를 만드는 현상이다. 이것은 덴마크의 물리학자이자 화학자인 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted, 1777 ~ 1851)가 발견했다. 1820년 외르스테드는 도선을 통과하는 전류가 근처의 나침반 바늘에 영향을 주지 않는다는 것을 보여주기 위해 ‘자기나침반 바늘에 미치는 전류의 효과’라는 주제로 실험을 진행하고 있었다. 전류가 흐르는 도선을 나침반과 같은 높이로 옆에 두었을 때에는 아무런 반응이 없었지만 도선을 나침반의 높이와 다르게 놓아두자 바늘이 움직였다. 나중에 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 가까이에 놓아둔 나침반이 도선에 흐르는 전류의 방향과 90° 방향으로 돌아간다는 사실을 발견하였다. 이것은 나중에 전자기력을 이용하면 물체를 움직일 수 있다는 것을 발견한 역사적 실험이었다. 이것이 우리가 잘 알고 있는 전동기의 기본원리를 제시한 실험이었던 것이다.

우리가 사용하는 교통카드 역시 변화하는 자기장을 만드는 장치와 가까워지면 교통카드 내부의 도선에 전류가 흐르면서 정보를 주고 받게 되는 것이다. 또한 교통카드에 별도의 전원이 필요 없는 이유 역시 교통카드 외부의 변화하는 자기장에 의해 전류가 만들어지기 때문이다. 우리가 사용하는 휴대폰 케이스 중에 교통카드를 넣은 채로 사용할 수 있는 케이스도 이러한 전자기유도 현상을 고려하여 만들어진 것이다.

아인슈타인의 뇌

인류 역사상 가장 똑똑한 천재가 누구냐고 묻는다면 대부분의 사람들은 아마 주저하지 않고 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~ 1955)을 꼽을 것이다. 그렇다면 과연 아인슈타인의 뇌는 다른 사람들보다 더 클까? 정답은 No. 남자 성인의 평균 뇌무게는 1400 g이다. 대동맥류로 파열로 76세의 나이에 사망한 아인슈타인의 뇌무게는 1230 g으로 아인슈타인은 오히려 평균보다 170 g 가벼운 뇌를 가졌다.

아인슈타인은 죽기 전 자신의 몸을 화장해 아무도 모르는 곳에 뿌려 달라는 유언을 남겼지만 23년 후인 1978년 아인슈타인의 뇌를 찍은 사진이 공개됐다. 사진을 공개한 사람은 뉴저지 먼슬리의 기자였다. 알고 보니 아인슈타인이 화장되기 전 토마스 하비(Thomas Harvey, 1912 ~ 2007) 박사는 아인슈타인의 뇌를 훔쳐 달아났고, 그의 뇌를 연구용으로 사용했다. 토마스 박사는 아인슈타인의 뇌를 촬영했고 240조각으로 잘라냈다. 그 중 일부는 현미경 관찰을 위해 슬라이드로 만들기까지 했다. 토마스 박사는 20여 년간 아인슈타인 뇌를 연구하는데 몰두했지만 아인슈타인의 뇌가 1230 g으로 일반인의 뇌보다 가볍다는 것 외에는 구조 및 기능에 있어서도 특별한 점을 찾아내지 못했다.

똑똑함이 뇌의 크기로 결정되는 것이 아니라면 과연 무엇 때문일까?
최근 연구결과를 보면 뇌의 크기보다 신경세포(뉴런)간의 연결이 중요하다는 점에 주목해야 한다. 신경세포들이 네트워크로 많이 연결돼 있으면 뇌에서 더 많은 양의 정보를 동시에 처리할 수 있다고 한다. 그리고 아인슈타인의 뇌가 일반인과 달랐던 부분은 두정엽(마루엽) 하단 부위가 평균보다 15% 정도 크며 두정엽과 측두엽(관자엽) 사이의 고랑이 더 많은 신경세포로 채워져 있다고 한다.

뇌의 구조와 기능

사람의 뇌를 소우주로 표현하기도 한다. 우주의 신비를 다 밝히지 못하고 있는 것처럼 베일에 가려진 뇌는 인간이 알아내지 못한 메커니즘이 매우 많다. 공부를 할 때나 친구와 수다를 떨 때 뇌 속에서는 무슨 일이 일어날까?

뇌 면적의 약 7/8을 차지하는 대뇌는 뇌의 가장 바깥쪽에 있는 대뇌겉질과 그 안쪽 아래에 있는 변연계로 나눌 수 있다. 변연계는 주로 본능적인 행동과 정서, 학습과 기억 등 개나 고양이에서도 관찰되는 행동에 관여하는 반면, 대뇌겉질부는 고도의 사색과 판단, 창조의 원천이다. 언어를 사용해서 대화를 하는 동물은 사람뿐이니 친구들과 수다를 떨고 심각한 대화를 할 때에는 대뇌피질의 신경망이 활발하게 작동한다. 이곳에는 신경세포가 무려 140억 개나 모여 있다. 머리가 좋거나 나쁘다는 대뇌겉질의 각 영역이 얼마나 잘 발달했는지로 판별이 난다. 대뇌겉질을 발달시키는 방법으로는 책 읽기, 양손 쓰기 등이 있다.

강한 빛 때문에 눈이 부실 때는 중간뇌의 작용으로 홍채를 수축시켜 덜 눈부시게 주며, 그 밖에 호르몬 분비, 체온이나 식용조절 등을 역할도 한다.

김연아나 손연재가 펼치는 멋진 몸의 기술은 소뇌의 작용이 매우 중요하다. 평형, 몸의 위치, 공간 운동을 조절하면서 우리 몸의 레이더 역할을 하는 운동 중추인 소뇌는 간단한 학습 방법을 기억하는 기능도 있으며 반복 연습을 통해 중요한 운동 기술을 습득하고 기억할 수 있도록 해주는 운동 기억 기능을 담당한다. 수영이나 자전거를 한 번 배우고 한동안 하지 않아도 잊지 않고 몇 년이 지나도 또 할 수 있는 것이 소뇌 덕분이다.

뇌의 집중력

시중에는 집중력을 높일 수 있다며 온갖 종류의 약, 음식, 음악, 명상법, 고가의 기기까지 상업적인 광고와 함께 수없이 팔리고 있다. 혹시 여러분도 한 가지 정도 사본 경험이 있는가? 나의 집중력은 좋은 편인가? 과연 집중력은 뇌의 어디에서 나오는 것이며 집중력을 높이기 위해서는 어떻게 하면 좋을까?

기억과 학습의 핵심 기관은 바로 해마이다. 해마는 귀 뒤 부근, 대뇌 측두엽의 안쪽 깊숙이 자리 잡고 있으며 아주 민감하다. 주 역할은 일상의 사건과 정보를 기억하고 분류하는 것이다. 해마는 우리가 매 순간순간 겪는 일이 어떤 순서로 일어났는지를 알려주며, 시간과 장소를 파악하고 끊임없이 좌표 정보를 업데이트한다. 이 중요한 해마가 스트레스에 매우 약하다. 며칠간의 스트레스로는 회복이 가능하지만 몇 달 혹은 몇 년간 지속적인 스트레스는 해마의 뉴런을 완전히 죽일 수도 있다고 한다. 스트레스를 받게 되면 우리 몸은 아드레날린이 분비되어 경계심을 높이고 기억력을 예민한 상태로 만들고, 두 번째로 부신에서 분비되는 코르티솔은 체내 축적된 글리코젠을 포도당으로 전환시키는 역할도 하지만 해마의 뉴런을 손상시키기도 하는 것이다. 집중력을 높이는 다양한 방법이 있지만 여기서는 네 가지의 방법을 소개한다.

1) 운동 : 운동은 신체뿐만 아니라 뇌에도 유익하다. 규칙적인 운동과 신선하고 영양이 풍부한 식품이 결합될 때 뇌에 더 많은 혈액과 산소를 공급하게 된다. 이렇게 되면 지능을 포함한 고도의 집중력이 증가하게 된다. 또 운동을 하면 기분을 좋게 하는 엔도르핀을 뇌에서 분비시켜 주의력을 떨어뜨리거나 알츠하이머병 위험을 증가시키는 우울증을 막는 데 도움이 된다.

2) 명상 : 명상은 뇌 기능을 향상시키고 집중력도 개선시킨다. 명상은 여러 가지 복잡한 생각을 없애고 정신을 평온하게 해 한 번에 한 가지 일에 집중할 수 있도록 한다. 명상을 통해 잡념을 없애고 힘든 업무를 다룰 때 걱정과 부정적인 감정을 줄일 수 있다.

3) 두뇌 게임 : 바둑이나 장기, 체스와 같은 게임들이나 뇌 활동을 증강시킬 수 있는 온라인 게임 등은 문제나 수수께끼를 풀게 하고 기억력을 사용하게 함으로써 집중력이 향상되는 효과가 있다. 이는 더 좋은 점수를 얻기 위해 게임을 즐기면서 하다 보면 자신도 모르는 사이에 생활의 다른 영역에서도 집중력이 향상된다. 주의 집중 시간이 감소하는 주요 원인 중 하나는 뇌의 도파민 수치가 부족하기 때문인데 게임을 하면서 성취감과 함께 도파민 분비가 증가할 수 있다.

4) 두뇌 식품 : 집중력을 향상시키는 음식을 먹는 것도 좋은 방법이다. 바나나는 뇌 기능 활성화에 좋은 과일이다. 한 연구에 따르면 시험 전에 바나나를 먹은 학생들은 먹지 않은 학생들보다 훨씬 좋은 성적을 거둔 것으로 나타났다. 또 시금치는 ‘두뇌 식품’으로 알려져 있다. 시금치에는 루테인과 엽산, 베타카로틴이 풍부하게 들어있는데 이 영양소들은 두뇌를 활성화해 치매를 예방하는 것으로 알려져 있다. 오메가-3 지방산 계열의 고도불포화지방산인 DHA가 많이 들어있는 달걀도 집중력 향상에 도움을 준다. DHA를 적당히 섭취하면 기억력 향상과 기분을 좋게 해준다. 오메가-3 지방산이 풍부한 연어와 정신적인 각성과 집중력을 향상시키는 성분인 테아닌이 들어있는 녹차 등도 집중력 향상에 좋은 식품들이다.

뇌파체험

뇌파체험 참여는 선착순으로 G전시실 체험 발권기에서 발권이 가능합니다.

체험 가능 연령을 확인하신 후 발권하시기 바랍니다.

자율신경계, 착시현상, 잔상효과

 뇌의 영향을 받지 않아요

심장박동, 호흡, 소화 등은 우리가 의식하지 못한채 이루어진다. 이 작용은 자율신경계에서 조절하는데, 교감신경과 부교감신경으로 구성된다. 이는 서로 반대 작용을 하며 균형을 이룬다. 격한 운동을 하거나 긴장과 스트레스를 느끼면, 교감신경이 자극을 받아 내부기관이 활성화된다. 반면에 밤하늘의 별이나 야경을 볼 때는 부교감신경 때문에 온몸이 평온해진다.

 뇌도 착각을 해요

서울의 야경을 연출한 조이트로프(zoetrope)를 빠르게 회전시키면서 스트로보 조명을 비추면, 달, 사람, 자동차 모형 등이 살아 움직이는 것처럼 착각하게 되는 착시현상이 나타난다. 이는 눈을 통해 본 사물의 모습이 짧은 시간 동안 뇌에 남는 잔상효과 때문이다. 영화나 애니메이션은 이러한 원리를 이용하여 만든다.

좌표평면과 데카르트
근대 철학의 아버지로 불리는 르네 데카르트(Rene Descartes, 1596∼1650)는 어느 날 침대에 누워 사색에 잠겨 있다가 천장에 붙어 기어 다니는 파리 한 마리를 보고, 파리의 위치를 쉽게 표시하기 위해 고민했다. 그는 바둑판 모양과 같이 가로와 세로 줄을 그어 나가면 되겠다는 생각을 떠올렸고, 그의 이러한 생각이 좌표평면을 고안해낸 계기가 되었다. x축과 y축이라는 두 개의 직선으로 이뤄진 좌표체계에서는 두 개의 수만 있으면 점의 위치를 나타낼 수 있게 된 것이다. 이는 공간의 위치(기하학)를 좌표(대수)로 나타내었다는 점에서 기하학에 대수적 해법을 적용한 중요한 출발점이라고 말할 수 있다. 데카르트가 고안한 좌표는 수학사에서 매우 중요한 사건으로, 도형과 수식을 연결할 수 있는 해석기하학의 시작이었다.

좌표의 활용은 무궁무진하다. 직선은 물론 원이나 타원, 포물선 등의 곡선도 점의 위치를 보여 주는 방정식만으로 좌표평면 위에 쉽게 나타낼 수 있다. 지구의 가로축인 위선을 이용한 위도와 세로 축인 경선을 이용한 경도는 현재 세계 모든 나라의 위치를 쉽게 표현할 수 있게 해준다. 남한과 북한의 경계인 38선이 위도를 기준으로 명명되었다는 것도 우리가 잘 알고 있는 상식이다. 또한 우리가 흔히 쓰는 지도, 내비게이션, 건축, 3차원 디자인 프로그램 등 좌표는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

빛의 성질
빛은 동일한 매질 내에서는 직진하는 성질을 가지고 있다. 하지만 매질이 다른 물질을 만나면 방향이 변하는 반사나 굴절이라는 현상이 발생한다. 이 체험물에서 평행블록과 대칭블록에는 평면거울이 부착되어 있는데, 이 거울면에서는 반사가 일어난다. 평면거울에서 반사가 일어날 때에는 빛이 거울로 들어오는 각도인 입사각과 거울에서 나가는 각도인 반사각이 동일하다. 이를 반사의 법칙이라고 한다. 블록을 움직이면서 레이저의 진행방향이 바뀌는 것을 통해 반사의 법칙을 확인할 수 있다.

구분구적법

구분구적법의 아이디어를 발전시킨 수학적 개념은 바로 적분이다. 고대 이집트에서는 강이 범람할 때마다 토지의 경계선이 사라지는 문제가 있었다. 그래서 이를 해결하기 위해 곡선으로 둘러싸인 땅의 넓이를 측정해야 했는데, 이 때 땅을 잘게 나눈 다음 합하는 방법을 사용했다. 이것이 적분의 기본 아이디어가 되었다. 또한, 아르키메데스(Archimedes, BC282 ~ BC212)가 직선과 곡선으로 둘러싸인 부분의 넓이를 작은 삼각형으로 나누어 구하였고, 요하네스 케플러(Johannes Kepler, 1571 ~ 1630)는 입체도형의 부피를 구하는데 구분구적법에 대한 아이디어를 활용하기 시작하면서 적분의 개념은 더욱 정교해졌다. 이와 같이 수학적 발전을 거친 결과, 부피와 면적에 대한 보다 정교한 계산이 가능해졌고 지도 작성 등 여러 분야에서 적분이 쓰이고 있다.

또한, 우리가 적분과 함께 공부하는 미분은 17세기 아이작 뉴턴과 라이프니츠에 의해 완성되었지만 이때까지만 하더라도 적분과는 무관하였다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1643 ~ 1727)은 물리의 개념들을 정리하면서 미분의 개념을 발전시켰고, 고트프리트 라이프니츠(Gottfried Leibniz, 1646 ~ 1716)는 함수의 그래프를 분석하면서 미분의 개념을 발전시켰다. 이 둘은 같은 시기에 별개로 연구를 하였으나 결국 미분이라는 같은 결과를 도출하였다.

그 후 미분과 적분은 서로 역연산 관계가 있음을 후대 수학자들이 밝혀 내면서 미적분이라는 연결된 개념으로 자리잡았다. 이러한 미적분은 움직임 또는 변화를 수학적으로 분석하는 도구이고, 부피와 면적을 계산하는데도 유용하다.

일본의 교토대 영장류연구소는 영장류 연구에 있어 독자적인 연구 성과를 내 왔다. 현재 13종 1200마리의 영장류를 보유하고 있다. 멸종위기종인 침팬지를 12마리나 보유한 대학은 세계적으로도 이곳밖에 없다고 한다.

연구소의 마쓰자와 데쓰로(松澤哲郞) 특별교수는 1977년부터 40년 동안 아프리카 기니와 일본을 오가며 침팬지의 인지 능력과 기억력을 연구하는 ‘아이 프로젝트’를 추진 중이다. 그는 침팬지에게 숫자, 색깔, 언어, 가위바위보를 가르쳤다. 그러던 중 침팬지의 뛰어난 순간 기억력을 발견해 학계를 놀라게 했다. 마쓰자와 교수는 처음으로 침팬지가 일부 지적 영역에서 인간을 능가한다는 걸 발견했다고 말한다.

인간과의 대결에서 침팬지 아유무는 더 빠르고 정확하게 숫자 배열을 기억해 냈다. 매번 위치를 바꾸며 100번을 되풀이했는데 정답률이 80%가 넘었다. 마쓰자와 교수는 순간 기억력에 한해서는 어떤 인간도 침팬지를 이길 수 없다고 단언한다. 

침팬지 아유무는 8세 때 세계 기억력 챔피언인 벤 프리드모어를 이긴 기억력의 천재다. 아유무의 어머니인 아이와 함께 1∼9까지의 숫자를 번갈아가면서 순서대로 터치해 협업 능력이 인간의 전유물이 아님을 증명했다. 연구소의 침팬지는 3개의 대형 시설에 거주하는데 원할 때 자유롭게 와서 테스트에 참가하고 사료를 받아가는 식으로 학습이 진행된다. 

조선시대의 천문대

관천대는 조선시대의 천문관측대로 소간의대, 또는 첨성대라고 부르기도 했다.
관측대에서는 하늘에서 일어나는 모든 현상을 끓임없이 관측하였으며, 왕조의 길과 흉을 점치는 데도 활용되었다. 관천대에서 기상 상태를 천문학 관원이 낮과 밤으로 교대하며 기록하였는데, 이 고록은 이전 시대의 천문 과학 활동을 보여주는 매우 귀한 역사 자료입니다.

어디가면 볼 수 있을까?
1988년(숙종 14년)에 창덕궁 금호문 밖에 축조되었으나, 현재는 창경궁으로 옮겨졌다.

관천대 위에 설치된 관측기구, 간의

간의는 천체의 위치를 파악하고, 땅의 지형 중 방위와 고도를 측량하며, 시간을 정확하게 출정할 수 있는 조선시대 대표적인 천문관측 기기입니다. 세종대황 재위기간 중 천체와 시간을 관측하기 위해 간의를 설치하였는데, 처음에는 나무로 간의를 시험제작하여 한양(서울)의 위도를 측정한 후 청동으로 간의를 제작했다.

멀미를 하는 이유 멀미란 눈으로 느끼는 흔들림과 평형기관으로 느끼는 흔들림의 정도가 서로 일치하지 않을 때 경험하는 어지러움이다. 눈은 사물을 보고 시신경을 통해 소뇌로 균형을 잡으라는 명령을 전달하고 발바닥은 푹신하거나 물렁한 감각을 느껴 소뇌로 전달해 균형을 잡는다. 내이의 세반고리관과 전정기관이 평형감각을 느낄 수 있기 때문에 우리의 귀는 소리를 듣는 역할을 할 뿐 아니라 균형을 잡는 평형감각까지 담당한다. 귓속 세반고리관과 전정기관에는 림프액이 차있는데, 몸을 움직이면 림프액이 움직이면서 감각 세포를 자극하고, 신경을 통해 소뇌로 신호를 전달해 몸의 균형을 잡는다. 멀미는 격한 흔들림이 있을 때 세 가지 감각이 뇌에서 체계화 되지 않아서 발생한다.

 귀 밑에 붙이는 멀미약의 원리

 멀미를 예방하기 위해 여러가지 방법이 있지만 가장 흔한 것으로 귀 밑에 멀미약을 붙이곤 한다. 이 위치에 붙이는 것은 귀에 있는 전정기관 때문이다. 전정기관은 신체의 평형감각을 느끼게하는 아주 예민한 기관이다. 귀 밑에 붙이는 멀미약에는 ‘스코폴라민’ 성분이 포함되어 있고 전정기관을 아주 약하게 마비시켜 자극을 줄여주는 역할을 해서 멀미를 녜방할 수 있게 해주는 것이다. 이 패치형은 귀 밑 뿐만 아니라 어디에 붙여도 전신으로 약이 퍼져서 효과가 나지만 가장 빠른 효과의 부작용을 줄이기 위해서 귀와 가장 가까운 곳에 붙이는 것이다.

색을 보는 원리

불투명한 물체는 물체가 반사한 빛의 색으로 물체가 보이며 투명한 물체는 물체를 통과하는 빌의 색으로 보인다.

조명에 따른 물체의 색

백색광이 아닌 단색과 아래에 물체가 있는 경우엔 어떻게 될까? 같은 물체라도 조명의 색에 따라 물체의 색을 다르게 인식하게 된다.

개와 사람은 같은 색을 볼까?

개는 색을 보는 원추세포의 수가 사람의 1/5 밖에 되지 않는다. 사람의 원추세포는 종류에 따라 파란색과 초록색, 빨간색에 반응하는 반면, 개의 원추세포는 보라색과 노란색을 감지한다. 그래서 빨간색과 노란색이 섞인 주황색은 개의 눈에 노란색으로 보인다.

아이작 뉴턴(1642-1727)

뉴턴은 17세기 물리학에 큰 공헌을 한 인물 중 한 명이다. 그는 물체의 운동 뿐 아니라 빛의 현상에도 큰 관심을 갖고 있었는데, 뉴턴의 이중 프리즘 실험은 그 당시의 빛과 색에 관한 관념을 크게 바꾸어 놓았다.

프리즘의 분산
빛이 매질에서 다른 매질로 진행할 때 매질에 따라 빛의 속도가 달라지기 때문에 굴절이 일어나게 된다. 이때 빛은 파장에 따라 여러 가지 색으로 분산된다. 빛의 분산을 통해 색이 없는 빛이 실제로는 무지개색을 띄는 것을 확인할 수 있다.

뉴턴의 이중 프리즘 실험

뉴턴은 이중 프리즘 실험은 백색광에서 여러 색의 빛으로 분리된 단색광이 다시 분리될 수 있는지 알아보는 실험이었다. 이 실험을 통해 빛은 고유한 색을 가지고 있으며 색이 반사되거나 투과되면서 변하지 않는 다는 것을 증명했다.

빠르게 달리는 자전거가 넘어지지 않는 이유는?

빠른 속도로 굴러가는 바퀴는 회전하려는 운동상태를 계속 유지하려고 하기 때문에 바퀴의 회전 축이 변하는 것을 막아 쉽게 넘어지지 않는다.
 
각운동량 보존의 법칙
회전하는 강체는 회전하는 축을 쉽게 바꾸려 하지 않는다.
이는 각운동량 보존과 밀접한 관계가 있다. 강제로 축을 기울여도 총 각운동량의 크기는 처음과 항상 같다. 각운동량 원리를 이용한 기계에는 ‘자이로스코프’가 있다.

자이로스코프의 일상 속 활용
자이로스코프는 바퀴의 축을 상중고리에 연결해 어느 방향이든 회전할 수 있도록 만든 장치로 방향을 알아내고 유지하는데 쓰인다. 자이로스코프는 일상생활에 다양하게 사용되고 있는데 대표적인 예로 스마트폰과 비행기, 우주선이 있다. 스마트폰에는 자이로스코프 센서가 달려있어 우리의 움직임을 감지하고 방향을 측정할 수 있게 도와주고, 특히 게임에 많이 사용되고 있다. 또한 자이로스코프가 일정한 방향을 가리키며 처음 설정한 회전축의 방향을 유지하기 때문에 우저선의 평형을 유지해준다.

액체 자석이라고도 불리는 자성 유체 (ferrofluid)는 본래 자성이 없지만, 외부에서 자력을 가해 자기장이 존재하면 강하게 자화(magnetized)되어 자석에 이끌리듯 유체가 끌려 나오게 된다. 

자성 유체의 역사는 1963년에 NASA의 스티브 파펠에 의해 고안된 액체 로켓 연료로서 자기장을 적용하여 무중력 환경의 펌프 입구로 연료를 끌어당길 수 있게 만들어졌다. 또, 아폴로 계획을 추진하는 중에 우주복의 어깨관절 등 회전 부분에 공기가 새어나가지 않도록 실링하는 재료로도 개발되었다.

자성유체를 만들기 위해서는 강자성체를 이용한다. 강자성체란 자기장을 가하면 자기장의 방향으로 강하게 자화되고, 자기장을 제거해도 자화가 남아있는 물질을 뜻한다. 이러한 분말 형태의 강자성체를 염기성 용액에 분사시켜 응집이 되지 않는 콜로이드 상태로 만들게 된다. 

액체자석은 평상시에는 다른 액체들 처럼 가만히 있다가 자기장이 가해지면 자기력선을 따라 뾰족하게 솟아오르는데 이 특징을 이용하여 자기장 세기와 방향을 변화시킴으로써 자유자재로 컨트롤할 수 있으므로 여러 산업분야에 응용하여 사용할 수 있다.

천체관측 기기는 ‘사람을 의롭게 하는 그릇’이라고 하여 옳을 '의(義)'에 그릇 '기(器)'를 써서 '의기(義器)'라고 표현했다. 이렇게 표현된 천문의기는 크게 천체위치측정기, 시간측정기 등으로 구분할 수 있고 시간측정기는 다시 해시계, 물시계, 별시계로 구분된다.

천체위치측정기는 천체의 위치를 측정할 수 있는 기기로 일찍이 중국으로부터 전해진 선기옥형이라 불리는 혼천의, 혼천의의 구조를 간소화하여 만든 간의, 간의가 크고 무거워 이동하여 관측하기에 무리가 따랐기에 이점을 보완 하여 제작한 소간의가 있다. 이밖에도 기기를 받침대 위에 놓고 적도 좌표계를 사용하여 기기의 방위와 관측지점의 북극고도를 맞추어 천체의 위치를 측정하는 적도의가 있다.
혼천의는 일찍부터 고대 동아시아에서는 천체관측에 있어서 기본적인 측정용 기기로 사용되어졌다. 혼천의 제작에 대한 최초의 기록은 "세종실록"에서 처음으로 찾을 수 있다. 조선시대 최초의 혼천의는 1432년에 시작된 천문기기 및 계시기구의 제작 사업의 일환으로 만들어졌다. 정초, 박연, 김진 등이 만들었던 소규모 모형 형태의 혼천의 이후에 이천, 정인지, 김빈이 제작에 참여하여 관측용 혼천의를 만들었다.
 간의는 1276년 중국 원나라의 천문학자 곽수경이 처음 만든 천문의기로써 오늘날의 천문관측기기와 같이 적도의식 형태의 기기이며 행성과 별의 위치인 적경과 적위를 정밀하게 측정할 수 있었다. 그리고 간의는 고도와 방위측정, 낮과 밤의 시간을 정밀하게 측정할 수 있었던 조선시대의 가장 대표적인 천문관측기기라고 할 수 있다.

시간측정기는 앙부일구, 현주일구 등의 해시계와 자격루, 옥루 등의 물시계가 대표적이고 별시계인 일성정시의와 혼평의, 기계시계인 혼천시계로 분류할 수 있다.
 세종시대에는 당시 시각법인 1일을 12시와 100각(百刻)으로 나누었고, 밤 시간은 5경(五更)으로 나누어 시간을 측정하는 많은 종류의 시계가 제작되었다. 그 중에는 자격루, 옥루와 같이 잘 알려져 있는 물시계와 앙부일구 등 여러 종류의 해시계가 있었다. 
 조선시대 해시계 제작에 대한 공식적인 기록은 《세종실록》에서 처음 나오는데, 세종시대에 제작한 시계로는 앙부일구, 현주일구, 천평일구, 정남일구, 규표가 있다. 그러나 이 때 만들어진 해시계들은 현존하는 것이 없기 때문에 원형에 가까운 복원 연구가 시급하다. 임진왜란 등을 거치면서 당시에 제작했던 해시계는 모두 소실되었지만 17, 18세기에 이르러 세종시대의 앙부일구가 다시 복구되었고, 휴대용 소규모의 앙부일구도 다수 제작되었다. 현재 남아 있는 앙부일구는 모두 17, 18세기 이후에 제작한 것들이다.
 천문시계의 일종인 일성정시의는 조선의 독창적인 것으로서 당시의 과학 기술을 세계적으로 대표할 수 있는 것이다. 이 천문시계는 당시에 사용하였던 다른 계시기(計時器)들과 달리 크게 두 가지의 특징이 있다.
첫째는 한양의 북극 고도인 한양의 위도를 정확히 측정하여 일성정시의의 정극환을 맞추어 사용함으로서 한양을 기준으로한 국가 표준시계라 할 수 있다. 
둘째는 지구의 자전축 방향인 정북에 맞추어 천문에 사용하는 적도좌표계와 일치하도록 설치함으로써 지구의 자전운동으로 인한 하늘의 태양이나 천체의 일주운동의 변화량을 측정하여 낮과 밤으로 시간을 알 수 있는 주야겸용측시기인 정밀한 천문시계이다.

 어떤 물체에 충격을 주면 그 물체는 자신만의 진동수대로 진동한다. 이를 고유진동수(natural frequency)라고 한다. 특정의 고유 진동수를 지닌 물체가 그와 같은 진동수를 가진 힘을 주기적으로 받을 경우 진폭과 에너지가 크게 증가하는 현상을 공진(共振)현상, 공명(共鳴) 이라고도 한다.

 우리 생활 주변에서도 공진현상은 자주 볼 수 있는데, 대표적인 예가 세탁기의 탈수 과정이다. 세탁기의 세탁통이 돌아갈 경우 회전속도에 따라 세탁기에 규칙적인 충격을 가하게 되는데, 통이 빠르게 회전할 때에는 세탁기의 고유진동수와 달라서 별다른 영향을 주지 못하므로 흔들림이 별로 없다. 그러나 회전 속도가 줄어들면서 세탁기의 고유진동수와 일치하게 되는 순간, 공명이 일어나 크게 흔들리는 것이다．

공진현상으로 멀쩡하던 다리가 붕괴되는 일은 역사적으로 여러 차례 있었다. 
 1831년 영국 맨체스터, 1850년 프랑스 앙제의 다리 무너짐 사고는 군인들이 일사분란하게 발을 맞추어 행진하면서 발생한 공명때문에 일어났다.
 1940년에 미국 워싱턴 주의 타코마 해협에 놓여있던 다리는 자체의 고유진동수와 바람에 의한 진동이 일치하면서 공명에 의하여 흔들림이 점점 커졌고, 결국은 다리가 버티지 못하고 붕괴되었다. 이 사건을 계기로 하여 다리를 건설할 경우 설계 단계에서부터 공진현상에 대한 보완을 철저히 하게 되었다.

 공진현상이 사람들에게 즐거움을 주거나, 우리의 일상생활에 편리하게 적용되는 경우도 매우 많다.

현악기는 울림통 재질과 형태에 따라서 고유 진동수가 달라지는데, 이것이 현악기 줄의 진동수와 일치하여 공명이 잘 일어나도록 만들어진다. 잘 만들어진 악기일수록 더욱 정교한 공명으로 더 아름답게 들리게 된다. 

음식을 데우거나 조리하는 데에 사용되는 주방의 필수 가전제품인 전자레인지 역시 공명현상을 이용한 대표적인 예이다. 영어로는 마이크로웨이브 오븐(Microwave Oven)이라 불리는 전자레인지는, 물 분자의 고유진동수에 해당하는 마이크로파를 가해줌으로써 음식 속의 물 분자가 공명운동을 할 때 생기는 마찰열로 조리하는 것이 그 원리이다. 빵이나 밥, 채소, 육류 등 음식물은 대부분 물을 포함하기 때문에, 그 마찰열로 손쉽게 음식물을 가열하고 조리할 수 있는 것이다.

사람 몸의 상태나 질병 등을 진단하는 데에도 공명현상은 유용하게 활용된다. 큰 병원에서 볼 수 있는 MRI(Magnetic Resonance Imaging), 자기공명 영상장치 역시 이름에서 알 수 있듯이 공명현상을 이용한 것이다. 다만 다른 전자기기와는 달리 원자핵의 자기공명, 즉 강한 자기장에 놓인 수소 원자핵이 공명하면서 방출하는 전자기파로 영상을 만든다.

전자기파(electromagnetic waves)는 전기장과 자기장의 진동 양상이 공간에서 진행하는 파동이다. 즉, 전자기장의 흐름에서 발생하는 일종의 전자기 에너지이다. 인간이 오래 전부터 알고 있던 볼 수 있는 빛, 가시광선 역시 전자기파이다. 뿐만 아니라, 눈에 보이지 않는 빛인 자외선과 적외선도 전자기파이고, 통신에 사용되는 전파, 방사선으로 알려진 엑스선, 감마선도 모두 전자기파이다. 물질이 없는 공간에서 모든 전자기파는 동일한 속도, 곧 광속으로 진행한다. 따라서 전자기파는 파장 또는 주파수에 따라 구분할 수 있다.
 
  X선이 발견된 것은 우연이었다. 1895년 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐은 진공관을 이용한 음극선 실험을 하고 있었다. 어느날 연구를 마치고 실험실의 불을 껐는데 빛과 비슷한 무언가가 알루미늄판을 뚫고 희미하게 빛나고 있었고, 그것이 X선이었던 것이다.
 X선은 자외선보다도 파장이 짧은 빛이다. 뢴트겐의 이름을 붙여 뢴트겐선이라고도 부른다. 엑스선은 파장이 10 nm과 10 pm 사이에 있고, 광자 에너지는 124 eV와 124 keV 사이에 있다. 이 중에서 파장이 긴 X선을 연X선(soft X-ray)이라고 하고, 파장이 짧은 X선을 경X선(hard X-ray) 이라 한다. 연X선은 파장 범위가 10 nm와 100 pm 사이이고 경X선은 100 pm와 10 pm 사이이다. 온도가 2 백만 K 이상인 플라스마는 X선을 낸다.

 흔히 빠른 전자를 물체에 충돌시킬 때 방출되는 투과력이 강한 복사선으로 인체 내부를 투시하는 의료 검사를 X선 검사라 부른다.
 엑스선은 의료뿐 아니라 천문관측, 고고학, 법의학, 산업 현장에서의 비파괴검사, 미술품 검사 등 다양한 영역에서 활용되고 있다. 고흐(1853~1890)의 걸작 중 하나인 '고흐의 방'의 벽 배경은 푸른색이지만 X선 검사를 통해 원래 자주색이라는 분석이 나왔다. 고흐가 동생에게 보낸 편지에서 '벽은 라일락색'이라고 표현한 것을 근거로 X선으로 촬영하고 컴퓨터 알고리즘으로 그림을 복원하여 보니 자주색이라는 결과가 나온 것이다.

월하정인은 조선시대의 3대 풍속화가로 꼽히는 혜원 신윤복의 작품으로서 국보로 지정된 《신윤복필 풍속도 화첩 申潤福筆風俗圖畵帖》에 실린 30점의 풍속화 가운데 하나이다. 세로 28.2㎝, 가로 35.6㎝의 수묵채색화이며, 간송미술관에 소장되어 있다.

눈썹 같은 달이 떠 있는 한밤중에 어느 길모퉁이의 담장 옆에서 젊은 남녀가 은밀히 만나는 모습을 그리고 있다. 갓을 쓴 선비 차림의 젊은 남자는 한 손에 초롱불을 들고서 다른 한 손으로는 품속을 더듬어 무언가를 찾고 있는 듯한 모습이다. 쓰개치마를 둘러 쓴 여인은 차림새로 보아 양반가의 여인으로 보이는데, 다소곳이 고개를 숙이고 있지만 치마를 허리춤에 질끈 동여매고 치마 아래로는 속곳을 드러내고 있다. 신윤복의 풍속화는 양반·한량의 풍류와 남녀 간의 애정을 솔직하게 드러낸 것이 특징인데, 이 그림도 달밤에 밀회하는 젊은 남녀의 분위기를 세련되게 묘사하고 있다.

그림의 담벼락 한편에는 세로 3행의 화제(畵題)가 다음과 같이 적혀 있다. "月沈沈夜三更/兩人心/事兩人知(달빛 어두운 밤 삼경/두 사람 마음이야/둘만이 알겠지)." 신윤복의 위의 화제는 조선 중기 문신인 김명원의 칠언절구 한시의 일부분을 풀어 쓴것이라고 한다. 삼경은 밤 11시에서 새벽 1시 사이를 가리키는데, 조선시대에는 일반인의 통행이 금지된 시간이었다. 금지된 시간에 남몰래 만난 두 남녀는 그려진 발의 모양새로 보아 어디론가 향하고 있는 듯하다. 전체적으로 배경은 흐릿한 담채로 표현되었는데, 이와 상대적으로 두 남녀의 모습은 가는 필선으로 선명하게 그려져 시각적으로 먼저 눈길이 간다.

한편, 그림 속의 달의 형상은 여느 그림들에 묘사된 초승달과는 달리 볼록한 면이 위쪽을 향하고 있어 특이하다. 일상적으로 밤에는 달의 볼록한 면이 위를 향할 수 없다. 이는 달의 볼록한 면 쪽에 태양이 있기 때문이다. 밤에는 태양이 없어서 달의 볼록한 면이 지평선보다 아래를 향한다. 따라서 그림 속의 달 모양은 월식이 일어날 경우에만 볼 수 있다. 월식은 태양-지구-달이 일직선상에 놓여 달이 지구의 그림자에 가려지는 현상을 말한다. 달의 전부가 가려지는 현상을 개기월식, 일부가 가려지는 현상을 부분월식이라 한다.

그림 속에 쓰인 글에는 그림을 그린 시간대가 삼경으로 나온다. 이것은 자시(子時)로 밤 12시를 전후한 시간이다. 월식이 일어나는 날은 보름달이 뜨는 날로, 자시 무렵에는 달이 가장 높이 뜬다. 처마 근처에 달이 보이는 것은 보름달의 남중고도가 낮다는 것이다. 즉 여름을 말한다. 보름달은 태양의 반대쪽에 있기 때문에 겨울에는 남중고도가 높고 여름에는 낮다.

여름철 한밤중에 일어나는 개기월식은 지평선과 작은 각도로 진행되기 때문에 달의 왼쪽부터 가려져서 오른쪽으로 진행된다. 즉, 달의 볼록한 면이 지평선과 약간의 각도를 가지고 옆으로 놓이게 되며 그림처럼 달의 윗부분만 보이는 것은 불가능하다. 따라서 이것은 개기월식이 아닌 지구의 그림자가 달의 아랫부분만 가리고 지나가는 부분월식의 그림이다.

신윤복이 활동했을 것으로 추정되는 18세기 중반부터 19세기 중반까지 약 100년간 일어난 월식 중 서울에서 관측 가능한 부분월식은 1784년 8월 30일(정조 8년, 신윤복 26세)와 1793년 8월 21일(정조 17년, 신윤복 35세) 두 번에 걸쳐 그림과 같은 부분월식이 있었다. 승정원일기 등 당시 월식을 기록한 문서들을 통해 알게 된 결과, 1784년에는 8월 29일부터 31일까지 서울 지역에 3일 연속 비가 내려 월식을 관측할 수 없었다. 그러나 1793년 8월 21일(음 7.15)에는 오후까지 비가 오다 그쳐서 월식을 관측할 수 있었다. 이에 근거하여 이 그림이 그려진 시기를 부분월식이 일어났던 1793년(정조 17) 8월 21일것으로 추측하고 있다.

그랑드 자트 섬의 일요일 오후
그랑드 자트 섬의 일요일 오후는 프랑스의 신인상주의 화가 조르주 쇠라(Georges Seurat)의 작품이다. 캔버스에 유화(油畵)이며, 크기는 207х308cm이다. 1884년부터 1886년에 걸쳐 제작되었으며 현재 미국의 시카고 미술관(Art Institute of Chicago)에 소장되어 있다.
 신인상주의의 창시자인 조르주 쇠라의 대표적인 작품 가운데 하나로 1886년 제8회 인상파 전람회에 출품되어 이목을 끌었다. 파리 근교의 그랑드자트 섬에서 맑게 개인 여름 하루를 보내고 있는 시민들의 모습을 담고 있다. 이 작품의 사람들은 모두 같은 시간대에 같은 장소에 있던적이 없다. 이 작품을 만들때 매우 오랜 시간동안 같은 장소에서 여러 사람을 보고 자신의 그림에 완벽하게 어울리는 사람들을 선정해 위치를 배정하고 어울리는 색으로 옷을 그렸다.
다양한 색채와 빛, 그리고 형태들을 점묘 화법을 통해 꼼꼼하게 표현하고 있다. 조르주 쇠라는 빛의 분석이 인상주의의 수법을 따르면서도 인상주의의 본능적이며 직감적인 제작 태도가 빛에만 지나치게 얽매인 나머지 형태를 확산시키고 있는 점에 불만을 느끼고, 여기에 엄밀한 이론과 과학성을 부여하고자 도모하였다.
 색채를 원색으로 환원, 무수한 점으로 화면을 구성, 빛의 합성을 이용하는 이른바 점묘화법(點描畵法)을 도입함으로써 통일성을 유지하고 인상주의의 색채 원리를 과학적으로 체계화하고, 인상주의가 무시한 조형 질서를 다시 구축하려고 노력한 흔적이 엿보인다. 이런 점에서도 이 그림은 오늘날 매우 의의 있는 작품으로서 평가되고 있다

점묘법
점묘법은 그간 회화에서 팔레트에 안료와 물감을 섞어 색을 만드는 전통적인 기법과는 상당히 대조적인 원리에 기반한다. 시안, 마젠타, 옐로, 블랙의 4원색 (CMYK)을 섞어 수많은 색상을 자아내는 것으로 오늘날 프린터기의 원리와도 같다. 텔레비전 화면이나 컴퓨터 모니터 역시 레드, 그린, 블루의 3원색 (RGB)으로 수많은 색으로 된 화상을 구성하는데 이 역시 같은 원리다. 스크린에서의 4원색 원리는 기본적으로 원색이 빛으로 되어 있어, 레드, 그린, 블루의 3원색이 전부 합쳐지면 화이트가 되는 가산혼합 방식이다. 반면 회화에서는 색을 섞으면 섞을수록 색상이 검어지는 감산혼합 방식이다. 다만 점묘법을 쓴 회화의 경우에는 통상적인 가산혼합보다 더 밝게 느껴질 수 있는데, 이는 안료 자체가 섞여 있는 것은 아닐 뿐더러 점과 점 사이에 드러나는 흰색 캔버스 표면이 드러나면서 함께 혼합될 수 있기 때문이다.

빛의 삼원색과 색의 삼원색
빛의 삼원색은 빨강(red), 초록(green), 청색(blue) 머리글자만 따서 RGC로 흔히 나타낸다. 기본이 되는 이 3가지 색의 빛을 1차색이라 한다. 3가지 1차색을 모두 합치면 흰색이 된다. 빨강과 녹색을 혼합하면 노랑이 되고, 녹색과 파랑을 섞으면 청록, 빨강과 청색을 혼합하면 자홍색빛이 된다. 이런 식으로 두가지 원색을 혼합하여 생기는 색을 2차색이라 한다. 빛의 경우 반대색 빛을 섞으면 흰색이 되므로 상반되는 색을 보색이라 한다. 즉 빛의 경우, 청색의 보색은 노랑이고, 두 색을 혼합하면 흰색이 된다. 빛의 3원색과 달리 색의 3원색은 노랑(yellow), 청록(cyan), 자홍색(magenta)이다. 색의 3원색은 빛의 2차색에 해당한다. 색의 3원색도 빛의 색처럼 1차색, 2차색, 보색이 있으며, 색의 3원색을 모두 혼합하면 검정색이 된다.

빛공해란 인공조명이 너무 밝거나 지나치게 많아 야간에도 낮처럼 밝은 상태가 유지되는 현상을 가리킨다. ‘인공조명에 의한 빛 공해 방지법’에 따르면 빛공해는 인공조명의 부적절한 사용으로 인한 과도한 빛 또는 비추고자 하는 조명영역 밖으로 누출되는 빛이 국민의 건강하고 쾌적한 생활을 방해하거나 환경에 피해를 주는 상태를 말한다. 전 세계 인구의 83%는 빛공해의 영향을 받고 있으며 전 세계적으로 도시의 불빛은 매년 증가하고 있는 추세다. 

 국제학술지 사이언스에 발표된 독일 지구과학연구센터의 크리스토퍼 키바 박사 연구팀이 발표한 연구결과에 따르면 현재와 같은 추세로 빛공해가 계속 증가할 시 2040년에는 현재 밤하늘에서 볼 수 있는 별 10개 가운데 6개가 사라지게 될 전망이다.  밤하늘에서 별이 갈수록 사라지는 이유는 스카이글로(skyglow) 현상 때문이다. 이는 가로등과 광고간판, 건물의 빛, 자동차 불빛 등 도시의 수많은 인공조명으로 밤에 별을 관측할 수 없게 되는 현상을 말한다. 즉, 인간 활동으로 인한 빛공해가 원인으로 밤하늘의 밝기가 증가할수록 인간의 눈으로 식별할 수 있는 별은 줄어들게 되는 것이다.

 빛공해는 포식자와 피식자 동물의 행동 변화를 촉발해 생물다양성을 감소시키고, 사람을 포함한 동물들의 멜라토닌 분비량을 줄여 건강에도 부정적 결과를 초래할 수 있다.  뿐만 아니라, 도시의 식물과 나무의 계절적 리듬도 영향을 받는다. 아이오와주립대학교 지질대기과학과 연구팀이 발표한 자료에 따르면 빛 공해는 식물과 나무의 자연적인 리듬을 방해해 꽃가루 계절을 더 길게 만들고 더 심각한 알레르기를 유발한다. 또한 조명이 없는 곳보다 인공 조명이 있는 곳에서는 봄에 잎눈이 돋는 시기를 9일 앞당긴다는 사실을 발견했으며, 잎의 색깔 변화가 평균 6일 지연된다는 것도 확인했다. 
 
 환경적인 측면에서 자연광 이상의 인공조명은 실외 인공조명을 생산하고 설치, 운영하는 필요한 모든 과정에서 온실가스가 대기 중으로 방출돼 지구 온난화에도 일조한다. 따라서, 밤의 인공 조명이 항상 긍정적인 것만은 아니며 실제로는 오염 물질이라는 인식이 확산 될 필요가 있다.

중력이 영향을 주는 곳에서, 떨어지는 물체에 중력가속도에 의한 힘이 미치는 공간에서 고정된 한 축이나 점의 주위를 일정한 주기로 진동하는 추를 진자(振子, pendulum)라고 한다. 평형점을 중심으로 진동운동을 반복한다. 이러한 진자 운동은 물체의 운동 중 속력과 운동 방향이 변하는 운동이다. 실에 매단 물체(진자)가 같은 경로를 왕복하는 운동이다. 속력은 양 끝에서 0이고, 진동의 중심에서 가장 빠르다. 운동방향은 진자가 그리는 궤도의 각 위치에서 접선 방향이다.

 진자의 규칙성을 처음 발견한 사람은 갈릴레오 갈릴레이다. 갈릴레오는피사 대성당에 매달려 있던 샹들리에가 이리저리 흔들리는 모습을 보고 놀라운 규칙성을 발견했다. 갈릴레오는 자신의 맥박을 이용해 샹들리에가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 갔다가 다시 원위치로 돌아오는 데에 걸리는 시간(이를 주기라 한다)이 그 진폭과 무관하게 일정함을 알아냈다. 이후 갈릴레오는 진자의 주기가 추의 질량과도 무관함을 알아냈는데, 이처럼 진자의 주기가 진폭이나 질량과 무관한 성질을 등시성(isochronism)이라 한다. 진자의 주기에 영향을 주는 유일한 요소는 진자의 길이이다. 길이만 정해지면 진자의 주기가 결정된다.

 진자의 주기는 진자의 길이, 진폭은 초기 변위에 의해 결정되며, 진동수는 주기의 역수와 같다. 이러한 관계를 이해하면 진자의 움직임을 정확하게 예측하고 분석할 수 있다. 따라서, 진자의 움직임은 시계, 측정 장비, 예술 작품 등 다양한 분야에서 활용된다. 예를 들어, 시계의 진자는 시간을 측정하는 데 사용되며, 측정 장비의 진자는 움직임을 감지하는 데 사용된다. 또한, 진자의 아름다운 움직임은 예술 작품에서 영감의 원천으로 사용되기도 한다.