물 위에 떠 있는 물방울

물 위에 떠 있는 물방울에 대한 영상입니다.

물 위에 물방울이 떠 있을 수 있는 이유는 물과 물방울 사이에 공기층이 존재하기 때문입니다.  공기층의 공기가 빠져나가기 전까지 그 모양을 유지할 수 있게 됩니다.

 

 

 

 

이 신기한 현상을 이용하여 본교(부광고) 1학년 학생과 과학전람회에 참가하였고 전국 특상을 수상할 수 있었습니다. 이해를 돕기 위해 전람회 설명서 중 일부를 인용하겠습니다.

 

우리는 이 연구를 진행하면서 동일 액체가 바로 섞이지 않는 이유와 이를 설명할 수 있는 이론을 찾는 데 매우 어려움을 겪었다. 그러던 중 액체방울(droplet)과 액체표면 사이에 얇은 공기층이 존재한다고 가정하였다. 그리고 이를 확인하기 위해 액체방울의 낙하높이를 0으로(거의 접촉시켜)하여 실시해보니 바로 섞이는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 낙하높이를 조절하면서 액체방울이 모양을 유지하는 시간(life-time)이 달라지는 것을 보고 공기층의 존재를 확신할 수 있었다.

 

                       (가)                                  (나)                                          (다)

이 공기층의 두께는 매우 얇지만 표면장력과 부력이 작용하여 작은 droplet을 띄울 수 있다는 것이다. 시간이 지나면서 공기층의 두께가 얇아지기 시작하고, 반데르발스 힘(van der Waals)이 크게 작용하게 되면 결국 섞이게 되는 것이다. 아래는 위의 내용을 그림으로 설명한 것이다

 

(가)와 같이 액체표면 위로 낙하한 droplet이 (나)에서와 같이 공기층을 사이에 두고 액체표면 위에 떠 있게 된다. 이 때 압축된 공기에 의한 부력 FB, 공기층 표면의 왜곡에 의한 FS , 중력 FW이 평형을 이루게 된다. 일정 시간이 흐른 후 공기가 빠져 나가게 되면 (다)와 같이 두 물질이 섞이게 된다.