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뒤집혀서 떠다니는 배? - 중력을 거스르다.

액체가 비행기도 아니고 어떻게 뜨지?

어렸을 적 모두가 한 번쯤은 공중을 날아다니는 생각을 해본 적이 있었을 것입니다. 우리 주변에 공중을 날아다니는 물체는 대부분 비행기나 헬리콥터와 같이 단단한 물체들입니다. 하지만 이와 다르게 모양이 쉽게 변하고 다루기 어려운 액체를 공중으로 띄울 수 있다면 여러분들은 믿으시겠습니까? 저희 주변에서는 저희가 눈으로 구분해낼 수 있는 액체가 공중에 있는 경우는 폭포수가 떨어지거나 구름으로부터 비가 떨어질 때 정도일 것입니다. 또는 제가 방금 말한 현상에 대해서 간단하게 센 바람이나 그와 비슷한 논리로 액체를 밀어주면 가능한 거 아닌가라고 생각하신 분들도 있으실 것 같습니다. 그러나 이와는 다른, 전혀 상상하지도 못한 방법으로 액체를 띄울 수 있습니다. 그렇다면 어떤 힘으로 액체를 어떻게 공중으로 띄울 수 있으며, 띄워진 액체 아래에 배를 놓아주어도 배가 떨어지지 않고 잘 떠다닐 수 있는 경이로운 현상의 이유는 무엇일까요?


진동의 힘?

액체를 띄우는 원리는 정말 간단합니다. 단지 고밀도의 유체를 1초에 100번 이상의 주파수를 가진 진동을 주어 수직으로 흔들게 하면 공기 층 위로 부양할 수 있게 됩니다. 한마디로 소제목에서 알 수 있듯이 ‘액체이 진동을 가하면 뜰 수 있다’라고 봐도 됩니다. 이 현상을 발견한 연구원들은 진동이 액체의 움직임에 어떤 영향을 주는지 연구를 하던 중 발견하게 되었습니다. 실제로 고주파 진동의 결과로 발생하는 놀라운 현상은 많이 존재해 왔었습니다. 예를 들면 대부분의 사람들은 보통은 기포는 수면 위로 상승하고 무거운 물건들은 가라앉는다는 것을 알고 있습니다. 하지만 이미 적당한 진동의 주파수가 주어지면 기포가 액체에서 아래로 떨어지고 보통 가라앉는 무거운 입자가 표면으로 떠 다닐 수 있는 현상이 알려져 있습니다. 하지만 액체가 진동으로 뜰 수 있다는 것은 정말 놀랍고도 예상하지 못한 과학현상임에는 틀림이 없습니다.

연구원들은 이 신기한 발견에 대해서 설명하기 위해 유체에 가해지는 유효중력과 물 속에 잠겨 있는 물체가 받는 중력이 시스템이 수직으로 진동할 때 시간에 따라서 진동한다고 설명합니다. 이들은 이 효과를 반중력 효과(antigravity effect)라고 부릅니다. 액체가 공중에 있다는 것 자체가 중력을 거스른다는 생각과 직접적으로 연결될 수 있다고 생각합니다.

여기서 더 나아가 아까 앞에서 말씀드렸듯이 공중에 뜬 액체에는 위 아래에 배를 띄어 볼 수 있습니다. 보통 바다 위에 있는 배가 떠다니는 것은 저희에게 정말 익숙합니다. 그 외에도 다양한 물체들이 물위로 뜨는 현상은 익숙합니다. 하지만 물 아래에 거꾸로 매달려 있다는 생각을 하면 익숙하지 않습니다. 애초에 저희 주변에서 다음 현상과 같이 액체가 떠 있는 것을 발견하기 어렵기 때문일 것입니다. 하지만 물이 공중에 뜬다는 사실만으로도 신기하지만, 배가 아래에 뒤집혀 떠 있다는 것은 더 신기합니다. 그렇다면 어떻게 이런 상식을 뒤집고 편견을 깨는 현상들이 가능할 수 있는 것일까요?


왜 떨어지지 않는가?

언뜻 보면 정말 신기합니다만, 간단한 과학지식으로도 왜 떨어지지 않는지 설명할 수 있습니다. 현상을 보다 잘설명하기 위해서 잠시 부력을 짚고 넘어가도록 하겠습니다. 부력이란 유체에 잠긴 특정 대상의 상하면에 작용하는 중력방향 압력차만큼 대상에게 가해지는 힘입니다. 대부분 물체들은 유체에 잠겨있을 때 부력을 받습니다. 나무가 물에 뜨는 것과 열기구가 공중에 뜰 수 있는 것 또한 부력의 힘입니다.



부력의 식을 살펴보게 되면 잠긴 부피에 따라 부력의 크기가 비례하는 것도 알 수 있습니다. 물체가 받는 부력의 크기는 물체가 밀어낸 부피만큼의 유체가 가지는 무게와 같습니다. 이는 아르키메데스의 원리라고도 불립니다. 부력을 통해서 관찰할 수 있는 것은 밀도가 큰 물질은 가라앉고 밀도가 작은 물질은 위로 뜬다는 것입니다.


자 그럼 다시 내용으로 들어가서 거꾸로 떠 있는 보트를 관찰 해봅시다. 거꾸로 떠 있는 보트, 즉 바닥에 붙어 있는 보트는 떨어져야 할 것 같지만 떨어지지 않습니다.


적당한 진동을 가하게 되니 우리가 평소에 생각하는 배가 바다 위에 떠 있는 것과 같이 부력과 중력이 균형을 이루게 되어 배가 아래쪽 면에 떠 있을 수 있게 됩니다. 다시 말하면 저희한테 익숙하지 않아서 그렇지 뜨는 원리는 보통 배가 뜨는 원리와 비슷합니다. 부력과 중력이 힘의 평형을 이루어 떨어지지 않게 되는 것입니다. 하지만 확실히 특별한 상황이다 보니 다른 요인들도 작용을 합니다. 이는 수직으로 가하는 진동이 액체 계면의 아래쪽을 안정적으로 만들어 주는 효과가 있었기 때문입니다. 그로 인해서 액체 아래 쪽에 떠 있는 배도 안정적으로 뜰 수 있게 되는 것이죠. 만약 액체 아래 계면이 떠 있다 하더라도 불안정하면 배가 오래 못 버티고 금방 떨어질 것입니다. 액체 위, 아래 다 어느정도 안정적으로 계면이 유지되기 때문에 배가 뜨는 것이 가능한 것이죠.


현상의 활용 및 앞으로의 미래

연구진은 기술적으로 더 큰 양의 액체 또한 가능하다고 말합니다. 더 큰 양의 액체 또한 이러한 현상이 가능하게된다면 그만큼 많은 분야에서 넓게 쓰일 수도 있습니다. 그럼에도 많은 사람들은 생각할 것입니다. 그로 인해서 이 연구결과가 어디에 쓰이는지 말입니다. 하지만 아직 액체가 진동을 통해서 뜰 수 있는 것에 대한 이유는 확실하게 연구가 되지 않았습니다. 하지만 대부분의 발명과 발견들이 그랬듯이 어딘가에 직접적으로 쓰이는지 상용화될 수 있는지는 후에 나오는 연구 등에 의해서 영향을 많이 받을 수 있습니다. 오히려 많은 연구를 통해 더 보완되면서 가치있는 기술로 자리잡을 수도 있습니다. 앞으로 더 많은 연구가 진행되어 이 비밀을 보다 정확하게 파헤치고 분석하게 되면 언젠간 인류에 있어서 연구진이 언급하게 된 액체에서 플라스틱 입자를 제거하는 것과 같은 산업공정이나 또는 무거운 물질을 분리하는데 도움을 주고 물 속의 오염물질을 분리해내는데 도움이 될 수 있습니다.


이 글을 쓰기 위해서 조사해보면서 다양한 사람들의 의견도 보았습니다. 그중에서 한 의견은 편견을 깨는 현상이발견된 것으로도 충분히 의미있다고 말하고 있습니다. 저 또한 이 의견에 많이 동의합니다. 이러한 연구들을 통해서 편견에서 벗어나야 한다는 것을 깨닫고 이로부터 다양한 창의성을 바탕으로 앞으로 과학이 더 발전할 수 있다고 생각합니다. 여러분들도 제가 소개해드린 것과 같이 평소 상식과 편견을 뒤집는 과학현상들을 살펴보면서 관심을 갖고 과학에 흥미를 느껴보는 것을 강력하게 추천해드립니다! 마지막에 있는 동영상은 이 현상을 알기 쉽게 설명한 동영상입니다.


김보겸│Physics & Earth Sci│지식더하기


참고자료

[1] https://www.nature.com/articles/d41586-020-02451-w

[2] https://www.theguardian.com/science/2020/sep/02/whatever-floats-your-boat-scientists-defy- gravity-with-levitating-liquid

[3] https://www.sciencenews.org/article/toy-boats-float-upside-down-under-levitated-liquid- antigravity

[4] https://www.youtube.com/watch?v=PSWMndzybUU

[5] https://terms.naver.com/entry.naver?docId=4389878&cid=60217&categoryId=60217


첨부 이미지 출처

[1] https://www.sciencenews.org/article/toy-boats-float-upside-down-under-levitated-liquid- antigravity

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-020-02451-w


첨부 동영상 출처

[1] https://www.youtube.com/watch?v=PSWMndzybUU


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