물은 흐른다. 물은 항상 흐른다. 하지만 항상 흐르는 것처럼 보이지는 않는다.
최근 유명 sns에서 많은 관심을 받은 동영상이 있다. 바로 흐르지만 정지한 것처럼 보이는 물이다.
위 동영상처럼, 물이 물풍선에서 뿜어져 나오고 있지만, 마치 얼어서 정지한듯한 모습을 관찰할 수 있다. 왜 물이 멈춘 것처럼 보일까? 카메라의 성능이 좋지 않아서라고 말하기엔 다른 부분은 너무 자연스럽게 움직이고, 물이 얼어붙었다고 하기엔 뒤쪽으로 물이 너무나도 잘 흐르고 있다. 이유는 바로 층류와 난류에 있다.
물은 흐른다.
‘나는 생각한다. 고로 존재한다.’ 프랑스의 물리학자이자 근대 철학의 아버지인 데카르트의 말이다. 물도 마찬가지이다. ‘물은 흐른다. 고로 유체이다’라는 한국과학영재학교 학생인 최인식의 말이 있다. 물은 유체이다. 유체는, 형상이 전해지지 않아 변형이 쉽고, 자유롭게 흐를 수 있는 액체와 기체, 플라즈마를 총칭하는 말이다. 이 유체의 유동은 크게 층류(laminar flow) 난류(turbulent flow)로 나눌 수 있다. 물풍선에서 나온 물이 안 움직이는 것처럼 보이는 이유가 바로 층류의 성질 때문이다.
난류와 층류
-난류(turbulent flow)
난류는 무질서한 유체 운동을 뜻한다. 생활 속에서 흔하게 접하는 유체의 운동이 대부분 난류이다. 수도꼭지에서 틀면 쏟아지는 물, 공기의 흐름은 대표적인 난류이다. 난류는 규칙성이 적어 열이나, 물질이 확산하는 큰 요인이 된다. 따라서 공학적으로 중요한 요소이다.
-층류(laminar flow)
층류란 유체가 평평한 층을 이뤄 비교적 규칙적인 운동을 하는 것을 말한다. 난류와는 반대로, 유동의 관성력보다 점성력이 훨씬 큰 경우 발생한다.
난류와 층류를 구분하는 기준은 바로 레이놀즈 수 (Reynolds number)이다. 레이놀즈 수가 4000이상이면 난류이고, 2000 이하면 층류로 구분된다. 레이놀즈 수는 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로, 유체의 유동에 중요하게 작용하는 힘이 무엇인지 나타낸다.
v는 유동의 평균 속도, L은 특성 길이(characteristic length), μ는 유체의 점성 계수(Dynamic Viscosity), ν는 유체의 동점성 계수(Kinematic Viscosity), ρ는 유체의 밀도이다.
Laminar flow balloon
물풍선에서 나온 물이 멈춘, 아니 멈춘 것처럼 보이는 이유를 설명하지 않고 자꾸 어려운 말만 한다고 생각했을 것이다. 앞에서 유체의 여러 운동을 설명한 것은 물풍선에서 나온 물은 Laminar flow로 흐르고, 이로 인해 정지한 것처럼 보이기 때문이다. 앞서 설명한 층류는, 무질서한 정도가 낮고, 층을 이뤄 이동한다. 물풍선의 좁은 구멍에서 나온 물은 관성보다 점성력의 영향이 크게 작용하여 마치 정지한 것처럼 보이게 되는 것이다.
Laminor flow balloon 실험은 비교적 간단하게 누구나 할 수 있다. 방법은 다음과 같다.
1. 물풍선에 물을 가득 채우고, 테이프로 중앙이 막히지 않은 사각형을 만든다.
2. 테이프로 막지 않은 사각형 중앙을 바늘이나 칼로 뚫는다.
3. 풍선이 흔들리지 않게 고정한다.
이때 조금 더 확실하게 안정된 물줄기를 보고 싶다면, 2번 과정에서 최대한 작은 구멍을 뚫는 것이 중요하다. 그 이유는 위의 수식에서 설명했듯이, 특성 길이가 짧을수록 레이놀즈수가 작아지는데, 이 경우 특성 길이는 구멍의 지름에 비례하기 때문이다.
위 영상은 laminar flow을 만드는 다른 예시로, 물줄기가 불규칙하지 않고 마치 유리관처럼 발사되게 하는 장치를 만든 영상이다.
Laminar flow는 다소 어려운 개념이 사용되지만, 원리만 안다면 여러 신기한 현상을 관찰해 볼 수 있으니 유체역학을 너무 어려워하지 말고 조금 더 많은 관심을 알아보길 바란다.
참고자료
[1] https://www.scienceall.com
[2] https://www.youtube.com
[3] https://m.blog.naver.com
첨부 동영상 링크
[1] https://www.youtube.com
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작성자│최인식
발행호│2020년 봄호
키워드│#유체역학 #Laminarflowballoon
