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[표지로 읽는 과학]거품 터지는 현상 설명하는 새 이론

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[표지로 읽는 과학]거품 터지는 현상 설명하는 새 이론

2020.08.09 09:46
사이언스 제공
사이언스 제공

국제학술지 사이언스는 이번주 표지에 원을 중심으로 물결무늬가 톱니처럼 나 있는 거품의 모습을 실었다. 유체 표면 위로 볼록 튀어나왔던 거품에 구멍이 나며 터지는 모습을 포착한 것이다. 꿀처럼 끈적한 유체는 거품이 터질 때 톡 터지지 않고 점차 내려앉으며 터진다. 과학자들은 이것이 중력의 영향으로 유체가 구조물이 무너지듯 무너지는 현상이라고 생각해 왔다. 하지만 과학자들의 이 같은 생각을 뒤집는 연구결과가 나왔다.

 

제임스 버드 미국 보스턴대 기계공학부 교수 연구팀은 끈적한 액체의 거품이 터질 때 거품 형태가 무너지듯 내려앉는 현상이 중력의 영향을 받는 것이 아니라 액체 점성에 따른 표면장력 때문이라는 연구결과를 사이언스에 이달 7일 발표했다.

 

거품은 유체 속에 걷혀 있던 기체가 빠져나오던 중 액체 막에 갇혀 볼록한 돔 형태를 만드는 현상이다. 유체는 표면적을 최대한 줄이려는 힘인 표면장력을 갖고 있다. 거품 내부 기체의 압력이 표면장력과 평형을 이루면 거품이 유지되지만 조금의 구멍이라도 나면 압력이 떨어져 이내 터지게 된다. 점도가 낮은 액체는 거품이 터질 때 수백분의 1초 내로 빠르게 형체를 남기지 않고 터진다. 탄산수의 거품이 빠르게 사라지는 모습을 떠올리면 된다.

 

반면 점성이 큰 액체의 거품은 터지는 속도도 1초까지 걸릴 정도로 느리다. 거품 위에 구멍이 뚫리면 구멍이 넓어지는 것보다 빠르게 돔이 아래로 꺼져 내려간다. 마치 무게를 이기지 못하고 돔이 무너져 내려앉는 것처럼 가라앉으며 거품 주변에는 물결무늬가 방사형으로 생긴다. 과학자들은 이를 관찰하면서 원인을 중력이라고 보고 있었다. 거품 윗부분을 연결하던 막이 사라지면서 무게로 인해 돔이 내려앉고 표면을 평평하게 만들려는 표면장력을 이기고 물결을 일으킨다는 것이다.

 

연구팀은 이러한 통념을 실험 조건을 뒤집는 것으로 바꿔 놓았다. 연구팀은 물보다 점성이 100만 배 높은 실리콘 오일을 이용해 유체 표면을 옆으로 배치하거나 거꾸로 배치해 이때 표면에 발생하는 거품도 조사했다. 실리콘 오일은 매우 끈적해 작은 용기에 담으면 표면장력 때문에 옆으로 눕히거나 심지어 거꾸로 뒤집어도 흘러내리지 않는다.

 

그 결과 다른 조건에서도 거품에 구멍을 뚫으면 거품이 표면을 향해 우그러들며 점차 사라졌다. 뒤집어 놓았을 때도 같은 현상이 나타났다. 중력의 반대 방향으로 거품이 꺼져 내려간 것이다. 연구팀은 거품을 만들 수 있는 표면장력과 거품이 받는 응력이 점성이 큰 액체의 거품이 터질 때 생겨나는 내려앉는 현상과 물결을 일으키는 현상을 만드는 데 역할을 하는 주된 힘이라는 것을 계산을 통해 찾아냈다.

 

알렉산드로스 오라티스 보스턴대 기계공학부 연구원은 과학 매체 인사이드 사이언스와의 인터뷰에서 “20년 전 거품 붕괴 현상의 원인을 찾기 위한 실험이 진행됐을 때 거품이 붕괴되면서 아래 방향으로 움직는 것처럼 보이기 때문에 중력이 이를 주도한다고 가정하는 것은 비합리적이지 않았다”며 “하지만 막에 작용하는 힘을 계산하면 표면장력이 실제로 중력보다 훨씬 크다는 걸 알 수 있고 그래서 실제 중력의 힘을 시험하기 위해 실험을 거꾸로 뒤집어 놓은 것”이라고 말했다.

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