께레(David Queré): 액체도 모양이 있을까?(Qu'est qu'une goutte d'eau? 2003)

[마실가]

액체도 모양이 있을까 Qu'est qu'une goutte d'eau? 2003

다비드 케레, 이수지, 민음in: 47, 2006, P. 55.

께레(David Queré, s.d.) 프랑스 물리학자. 에꼴 폴리테크니크(École polytechnique) 강사.

이수지: 숙명여대 불문 재학 중 유학, 파리5대학에서 언어학 박사 과정 수료.

감수 곽영직: 서울대 물리학과 졸업, 미국 켄터키 대학 박사. 수원대 물리학과 교수.

  액체를 주제로 삼는다는 것은 과학(물리학)이라는 측면이라기보다, 기술측면인데, 일반적 눈과 손으로 파악하는 기술이 아니라, 세밀하게 다룰 수 있는 기계와 기술을 동반해야 한다는 점이다. 20세기의 대상은 인간의 몸을 통한 대상을 파악하는 것이 아니라, 예를 들면 현미경을 넘어서 광학 현미경을 필요로 하고, 미세한 입자의 측정에도 전자 현미경을 통해 물체의 내부를 파악한다. 물체의 내부에서 내부로 하듯이, 미세한 움직임도 파악한다. 작은 입자를 파악하는 사진찍기도 얼마나 발달했는가? 이에 따라 물방울이 떨어지는 순간 순간을 사진으로 보여줄 수 있기에 이런 모양에 대한 논의를 할 수 있다.

기술의 발달은 물체의 내부로 들어가는 인식을 달리하게 된다. 이런 기술의 발달이 과학의 발달에 추동해 왔다는 점이다. 이런 의미에서 액체의 모양이라는 주제는 흥미롭다. 물론 이 책은 물을 대상으로 했지만 다른 액체들을 다루는 방식도 매우 발달했으리라는 것을 짐작할 수 있다. (49NKJ)

# 󰡔액체도 모양이 있을까(Qu'est qu'une goutte d'eau? 2003)󰡕, 께레(David Queré, s.d.)

* 차례 5

* 질문: 액체도 모양이 있을까? 7

액체 방울이 어떻게 특정한 형태를 이루고 움직이는지 그 원리를 이해하면 액체를 인위적으로 통제할 수 있고, 일상에서 매우 유용하게 이용할 수 있다. (8)

액체 방울은 작은 존재이지만 방대한 연구가 필요한 주제이므로 이 책에서 모든 내용을 다루는 것은 불가능하다. 분문에서는 하늘에서 떨어지는 빗방울 처럼 친숙한 액체를 예로 들어 액체의 모양 및 성질에 관한 다양한 의문들을 하나하나 풀어 나갈 것이다. (9)

제1장 빗방울은 어떻게 생겼을까? 11

•무엇이 빗방울의 모양을 결정할까? 13

메뚜기들은 아프리카 대륙을 횡단할 때 두리뭉술하게 퍼진 회색구름 모양으로 떼 지어 날아다닌다. 그러나 고도가 높은 산악지대를 통과할 때는 중심을 향해 오므라들어 까맣고 둥그런 원형으로 무리의 형태를 바꾼다. 추위로부터 자신들을 보호하기 위해 서로 바짝 다가들어 가장자리에 있는 개체 수를 최소화하는 것이다. (13)

한편 표면 장력은 상태가 다른 두 물질 사이에서 타나나기도 한다. 가령 액체 속에 있는 기포는 액체 방울처럼 동그란 모양을 유지하는 경향이 있다. (14-15)

•빗방울은 얼마나 커질 수 있을까? 15

빗방울은 아주 신기한 한 가지 특성을 지닌다. 바로 반지름의 길이가 절대로 3밀리미터를 넘지 않는다는 것이다. ... 안개 등은 마이크로미터 보다 작은 물방울 입자들로 이루어져 있다. (15)

반면 반지름 3밀리미터보다 큰 물방울은 낙하하면서 공기 마찰의 영향을 받아 오른쪽 그림처럼 전혀 예상치 못한 형태로 변한다. (16)

•빗방울의 윗부분은 정말 뾰족할까? 18

그런데 왜 우리는 빗방울의 윗부분을 뾰쪽하게 그리는 걸까? (18)

물방울의 몸체가 아니라 다음 페이지의 그림처럼 방울을 붙잡고 있던 수도꼭지 부분의 물줄기 끝이 순간적으로 뾰쪽해지는 것이다. / 이 현상은 1990년대 시카고 대학의 시드니 네이겔(Sidney Nagel, 1948-) 교수 연구 팀이 발견했다. (19)

(물방울의 진동 주기는 1879년 영국의 물리학자 레일리(Rayleigh, 1842-1919) 경이 처음으로 계산했다.) (21)

• 빗방울의 속도는 얼마나 될까? 23

빗방울이 구름에서 떨어지기 시작하여 이 속도에 이르는 데 걸리는 시간은 약 0.1초 정도이다. 빗방울은 아주 짧은 시간 동안 가속도 운동을 한 뒤 등속도 운동을 시작하는 것이다. (25)

제2장 액체와 고체가 만나면 어떻게 될까? 27

•액체가 땅에 떨어지면 어떻게 될까? 29

다음 페이지의 그림은 사파이어 위에 떨어진 액체 구리 방울을 묘사한 것이다. 액체 방울은 고체와 맞닿으면서 부착력을 얻고 일정한 각을 유지하게 되기 때문에 반구형의 형태를 띤다. 이 각을 접촉각이라고 하며, (30)

벤저민 프랭클린은 런던의 작은 연못에 올리브기름 한 숟가락을 떨어뜨려 이를 증명해 보였다. 프랭클린 기름을 떨어뜨리자 얇은 기름막이 빠른 속도로 연못 전체를 뒤덮었다. 그로부터 120년 뒤 레일리 경이 기름한 숟가락의 부피를 연못 면적으로 나눔으로써 처음으로 분자크기의 측정을 시도했다. (32)

•액체가 고체에 달라붙지 않게 만들 수 있을까? 33

1750년경 이 현상[회전 타원체 상태]을 처음 발견한 독일의 의사 라이덴프로스트(Johann Gottlob Leidenfrost, 1715-1794)는 고체와 액체 사이에 수증기 막이 형성되어 물방울을 지탱하기 때문에 이런 현상이 나타난다고 설명했다. (34)

인도 고행자들이 뜬 숯 위를 걸을 수 있는 것은 이런 원리 때문이라는 의견도 있다. 발에다가 미라 수분을 발라 놓으면, 숯과 접촉했을 때 이것이 증발하여 일시적으로 열기를 차단해 준다는 것이다. 그러나 라이덴ㅍ로스트 현상은 조금 특별하다. 온열 상태가 일시적으로만 지속되고 액체 방울이 곧 증발해 버리기 때문이다. (35)

•액체 방울은 고체 표면 위에서 어떻게 움직일까? 38

초속 몇 센티미터 정도로 속도가 더 빨라지면, 위쪽에 긴 꼬리가 생기고 그 꼬리에서 작은 방울들이 떨어져 나온다. 이 현상은 2001년 프랑스의 로랑 리마(Laurent Lima, s.d.)[1961?] 교수 팀이 발견했는데, .. (39)

1970년경 영국의 유체 역학자 테일러(Taylor, 1886–1975)는 아주 강력한 전기장 속에 비전도성 액체를 놓으면 윗부분이 뾰족해 진다는 사실을 증명해 보였다. 전하가 액체에 퍼져 전기적 반발력으로 밀어내기 때문에 액체가 넓게 퍼지는 것이다. (40-41)

액체가 부착력이 없는 고체 위를 지나가는 것, 즉 부피의 손실없이 이동하는 것은 중요한 연구가치가 있는 현상이다. 때문에 라플라스(Laplace, 1749-1827), 레일리, 푸앙카레(Poincaré, 1854-1912), 찬드라세카르(Chandrasekhar, 1910–1995) 등 수많은 과학자들이 빠른 속도로 회전하는 액체 방울에 대해 연구를 계속했고, 현재는 주목할 만한 결과가 축적된 상태이다. (44)

제3장 액체 방울을 어떻게 움직일까? 45

•액체 방울을 원하는 대로 움직일 수 있을까? 47

첫째 방법에서는 습윤성이 균일하지 않은 소재를 이용한다. (47)

둘째 방법은 온도 차를 이용하는 것이다.

셋째 방법은 액체 방울이 닿을 고체 내부에 전극들을 투입하는 것이다. (48)

여러 방법들 중에 가장 재미있는 것은 1990년대 두 명의 화학자 베인(s.d.)과 옹다르쉬위(1966-)가 고안한 ‘물방울 늘어뜨리기’라는 것이다. (48)

•액체 방울의 운동을 어떻게 활용할까? 51

액체 방울은 고슴도치와도 비슷하다. 특별한 상황을 만나면 고슴도치가 가시를 세우듯 몸을 뾰족하게 만들기 때문이다. (51)

* 더 읽어볼 책들 54

- 이승준, 󰡔역사로 배우는 유체역학󰡕, 인터비젼, 1999.

- 요네야마 마사노부, 홍성민, 󰡔물의 세계󰡕, 이지북, 2002.

* 논술ㆍ구술 기출 문제 55

(3:14 49NKJ)

# 인명

찬드라세카르(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910–1995), 인도 출신 미국 수학자, 물리학자, 천문학자. 노벨 물리학자(membre de la Royal Society, Padma Vibhushan, Médaille Copley, médaille royale, prix Nobel de physique, Médaille Henry Draper et Henry Norris Russell Lectureship; membre de Royal Society et Académie royale des sciences de Suède ♂; astrophysicien et mathématicien américain d'origine indienne.

벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin, 1706-1790) 미국 "건국의 아버지"(Founding Fathers) 중 한 명이다. 미국 독립선언문 작성자. 󰡔Moi, Benjamin Franklin - Citoyen Du Monde, Homme Des Lumières (The Autobiography of Benjamin Franklin, 1793)󰡕

라이덴프로스트(Johann Gottlob Leidenfrost, 1715-1794) 독일 의사이며 신학자. / 라이덴프로스트 효과(Leidenfrost effect)는 어떤 액체가 그 액체의 끓는점보다 훨씬 더 뜨거운 부분과 접촉할 경우 빠르게 액체가 끓으면서 증기로 이루어진 절연층이 만들어지는 현상이다. 󰡔물의 몇가지 성질들에 관한 개론(De aquae communis nonnullis qualitatibus tractatus, 1756)󰡕(Traité sur certaines propriétés de l'eau), 󰡔Opuscula physico-chemica et medica. 4 Bde. 1797–1798)󰡕 / Goutte d'eau rebondissant.

라플라스(Pierre-Simon Laplace, 1749-1827), 프랑스 수학자. 󰡔천체 역학(Mécanique céleste)󰡕(제3권).

리마(Laurent Lima, s.d.)[1961?], 1979년 ENS 물리학전공입학, 1984년 물리, 과학 교수자격 통과, 유체역학전공, 고등교육원(ESPCI Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles) 교수. Hydrodynamics, Interfaces, Wetting and Non-Wetting. Non-linear Physics, Instabilities, Pattern and Singularity Formation. Capillary Phenomena in Soft Matter. 과학연구원 탐구 원장(2008-2014, Directeur de Recherches CNRS).

시드니 네이겔(Sidney R. Nagel, 1948-) 미국 과학자. 시카고대학 교수.

푸앵카레(Jules-Henri Poincaré, 1854-1912) 프랑스 수학자, 물리학자, 천문학자로 수학과 수리물리학, 천체역학 등의 분야에서 중요한 기본 원리를 확립한 업적을 남겼다. 󰡔과학과 가설(La Science et l'Hypothèse, 1902)󰡕, 󰡔과학의 가치(La Valeur de la Science, 1905)󰡕, 󰡔과학과 방법(Science et Méthode, 1908)󰡕

께레(David Quéré, s.d.) 프랑스 물리학자. 프랑스 국립 과학 연구소(CNRS)의 책임 연구원. est un physicien français, directeur de recherche au CNRS à l'ESPCI ParisTech et professeur chargé de cours à l'École polytechnique. Il rejoint le laboratoire de Pierre-Gilles de Gennes au Collège de France dans l'équipe de physique des fluides organisés. / Pierre-Gilles de Gennes, Françoise Brochard-Wyart et David Quéré, 󰡔Gouttes, bulles, perles et ondes, 2002󰡕, 󰡔Qu’est-ce qu’une goutte d’eau ?, 2003󰡕

레일리(John William Strutt Rayleigh, 1842-1919) 영국의 물리학자. 아르곤을 발견하여 1904년 노벨 물리학상. 하늘이 파란색인 이유를 설명하는 레일리 산란이란 현상을 발견하였으며, 지진의 표면파인 레일리 파를 발견했다. 이 외에도 유체역학이나 모세관현상, 고전역학 등 다양한 범위에서 업적을 남겼다. 󰡔Theory of Sound (la théorie du son)󰡕(2 vol. 1877-1878)

테일러(Geoffrey Ingram Taylor, 1886–1975), 영국 물리학자, 수학자, 동역학과 파동이론의 주요 인물이다. / 테일러-꾸엣뜨 흐름(Taylor–Couette flow)[Instabilité de Taylor-Couette]. / 꾸에뜨(Maurice Marie Alfred Couette, 1858–1943) 영국 물리학자 유체역학 연구자.

- 베인(s.d.)

- 티에리 옹다르쉬위(1966-)[Thierry Hondarchuhui] 프랑스 특수 과학 국립 센터 내의 물질 가공 및 구조 연구소에 재직 중이다

(49NKJ)

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