표면장력에 대해 알아보자 -물수제비 날아 오르다

어릴 적 강가 근처에서 살았다면 한 번쯤 물수제비를 한 경험이 있을 것이다. 물수제비는 물결이 잔잔한 호수나 냇가 같은 곳에 돌을 던져 튕기는 놀이의 일종이다. 돌이 가라앉기 전 물 위로 튕기는 숫자가 많을수록 물수제비를 잘한다고 볼 수 있다. 어떻게 하면 물수제비를 잘할 수 있을까. 물수제비에 숨어있는 과학을 소개한다. 속도와 각도가 물수제비의 횟수를 결정 제2차 세계대전 중이었던 1943년 영국군은 독일 루르지방의 수력발전용 댐을 폭파할 계획을 세웠다. 영국군은 댐을 공격하기 어려운 상황이었다. 이 때 항공기 설계자인 바니스 월리스가 생각한 것이 바로 물수제비였다. 즉 댐 아래 호수에 투하된 폭탄이 물수제비처럼 수면 위를 튕겨 나가다가 물 속에 가라앉은 후, 댐 바로 아래에서 터져 그 충격파로 댐을 무너뜨린다는 것이다. 이 계획은 성공하게 되고 독일군은 군사적 타격을 받게 됐다. 이 후 물수제비의 연구는 좀 더 심층적으로 이뤄지기 시작했다. 1968년 미국 애머스트대 화학과에 다니던 크리스턴 코스는 돌이 물을 치고 나가는 모습을 사진으로 찍었다. 그 결과 돌 앞부분이 75° 각도를 이룰 때, 뒷부분은 계속 물을 치고 나간다는 것을 알게 됐다. 2002년 프랑스 리옹대 리데릭 보케 교수는 물수제비에 대한 수학적 연구 결과를 발표했다. 그는 물수제비는 공중으로 나는 돌이 수평으로 회전하면서도 속도가 빠를수록 회수가 증가한다는 사실을 밝혀냈다. 프랑스 비평형현상연구소 크리스토프클라네 박사는 물수제비 연구와 관련해 알루미늄 원반을 자동 발사하는 물팔매 장치를 만들었다. 그리고 1/100초 이하의 순간을 잡아내는 고속비디오카메라를 이용해 원반이 수면에 부딪치는 순간을 촬영했다. 이 실험을 통해 20°보다 낮은 각도로 던진 돌은 수면에서 튕기기는 하지만 그 다음엔 수면과 지나치게 맞붙으면서 운동 에너지가 사라진다는 것을 알게 됐다. 반대로 20°보다 크면 수면에서 튕기는 각도가 점점 커져 몇 번 튕기지 못하고 물속에 빠진다는 사실도 확인했다. 뿐만 아니라 진입각도가 45°보다 크면 곧바로 물속으로 빠진다는 것도 밝혀냈다. 클라네 박사는 여기서 얻은 실험결과를 지난 2004년 네이처지에 발표했다. 돌이 튈 수 있는 것은 질량의 차이 그렇다면 잠시 동안이지만 돌이 어떻게 물위에 뜰 수 있는 것일까? 쉽게 생각해보자. 보통 콘크리트 바닥에 공을 던지면 공이 튀어 오른다. 이 때 콘크리트 바닥은 한 덩어리로 움직인다. 때문에 질량이 작은 공이 위로 튕기게 된다. 다르게 표현하자면 콘크리트를 이루는 분자들은 거의 움직이지 않지만 공의 분자들은 순간 결합이 깨져 공이 움직이는 것이라고 볼 수 있다. 물도 마찬가지다. 다른 점이 있다면 물은 충돌에 대해 덩어리로 작용하지 않는다는 점이다. 보통 충돌에 참여하는 돌은 물보다 질량이 크다. 그 결과 돌을 던졌을 때 물은 돌을 되돌려 보내지 못한다. 분자의 결합력이 강한 돌이 빠지고 물의 분자는 뒤로 밀리며 물마루가 생기는 것이다. 그러나 돌이 납작하다면 경우가 다르다. 물과 부딪히는 넓이가 넓어지는데 한마디로 충돌에 참여하는 물의 양이 많아진다고 할 수 있다. 충돌에 참여하는 돌보다 물의 질량이 크기 때문에 물의 분자 결합력이 높아 이번에는 돌이 튀게 된다고 할 수 있다. 정리를 하면 납작한 돌을 비스듬히 빠른 속도로 물에 던지면 돌의 앞머리가 물에 부딪히면서 물을 밀게 되면서 충돌에 참여하는 물의 양이 많아지게 된다. 그 결과 돌은 마치 무거운 물체와 충돌하듯 충분한 수직 반발력을 얻게돼 위로 튀어 오르게 되는 것이다. 소금쟁이가 물 위에 뜨는 것도 표면장력 때문 이렇게 물수제비 속에 숨어있는 과학적 원리가 표면장력이다. 액체와 기체 혹은 액체와 고체 등 서로 다른 상태의 물질이 접해 있을 때 그 경계면에 생기는 면적을 최소화하기 위해 힘이 작용하게 되는데 이를 표면장력이라고 한다. 표면장력에 대한 관찰과 실험은 간단하게 해볼 수 있다. 우선 우리가 컵에 물을 따를 때 거품이 생기지 않는 이유도 바로 표면장력 때문이다. 거품이 생기려면 많은 수의 물 분자가 표면에 노출돼야 한다. 따라서 액체 분자들 사이의 힘을 약화시키는 비누나 합성세제를 넣어줘야만 가능하다. 다른 방법으로는 컵에 물을 가득 부어놓고 동전을 하나씩 하나씩 넣으면 물표면 높이가 컵 보다 좀 더 높은데도 넘치지 않는 것을 보게 된다. 물이 약간 볼록하게돼 있는데 이것도 표면 장력 때문이다. 그리고 두 개의 컵이 끼워져 있을 때 분리가 잘 안되는 것도 표면장력 때문이다. 이 때 흔히 뜨거운 물을 부어 컵을 분리시킨다. 표면장력은 물의 온도가 높아지면 약화되는 원리를 이용한 생활의 지혜라고 할 수 있다. 자연에서도 표면장력의 예를 찾아볼 수 있다. 물 위에 뜨는 소금쟁이는 다리 표면이 기름 성분으로 된 작은 털로 덮여 있다. 결국 소금쟁이는 물보다 가벼운 기름 성분을 가진털 때문에 물의 표면 장력을 이용해 물 위에 뜰 수 있는 것이다. 비가 갠 후, 풀잎 혹은 거미줄에 이슬이 동글동글하게 맺힌 것도 표면장력 때문이다. 두 개의 물방울을 가까이 가져가면 뭉쳐져서 한 개의 물방울이 된다. 한 개의 큰 물방울이 되는 것이 두 개의 물방울일 때보다 표면적이 작기 때문이다. ScienceTimes