[무중력4] 철과 물의 만남

이 질문은 표면장력이 무엇인가 하는 문제입니다.


일반적으로 금속과 물이 만나면 물이 금속의 표면에 잘 달라붙죠. 여러분들도 많이 관찰 하셨을 겁니다. 수저로 국을 풀 때 수저 표면을 따라 물이 달라붙고, 심지어 솟아오르는 모습을 식사 때마다 보셨을 겁니다. 이렇게 솟아오르는 이유는 물끼리 뭉처진 모습을 띄고 있을 때보다 수저와 붙어있을 때가 에너지 상태가 너 낮기 때문인데, 그 이유는 공기와 수저가 잡아다니는 힘이 물과 수저가 잡아다니는 힘보다 작아서 물과 수저 사이의 접촉면적을 늘리려 하기 때문입니다.

사용자 삽입 이미지무중력 상태에서 정지한 액체는 기본적으로 둥근 구 모양을 하게 됩니다. 이유는 표면장력이 작용하여 액체의 표면이 에너지 상태가 가장 낮은 상태, 즉 표면적이 가장 작은 상태를 유지하려는 성질이 있기 때문에 부피당 표면적이 가장 작은 구 모양을 하게 되는 것입니다.

물이 무중력 상태에서 독단적으로 있을 때는 다른 액체가 무중력 상태에 있는 것처럼 둥근 공 모양을 하게 되는데, 여기에 철로 만든 구를 살짝 붙여놓으면 수저와 국 예처럼 철과 물이 붙으려는 성질이 강하기 때문에 공과 구는 하나로 합쳐지게 됩니다. 물론 가장 마지막 모습은 물이 공을 둘러싼 뒤에 구의 모습을 하는 것입니다. 왼쪽의 그림이 바로 그 모습입니다. 이때 물이 철을 둘러싸면서 낮아진 에너지는 철과 물의 운동에너지가 됩니다. 따라서 철과 물이 서로 합처진 방향으로 왕복운동을 합니다. (물 속에서 움직이는 것이므로 물의 표면장력과는 관련이 없습니다.) 그러다가 점차 운동에너지가 열 에너지로 바뀌어서 물과 철의 온도를 높이는데 사용됩니다.

사용자 삽입 이미지물이 담긴 용기에 철로 만든 구를 물의 표면에 살짝 닿게 놓을 경우에는 두 가지로 생각해 봐야 합니다. 물이 용기와 강하게 결합된 경우(인력이 작용하는 경우)라면 물이 움직이지 않고 철로 만든 구가 그릇 속으로 쏘옥~ 들어가게 됩니다. 반면 물이 움직일 수 있다면(척력이 작용하는 경우) 물은 그릇과 떨어져서 바로 위에 설명했던 구의 모습을 이루고 둥둥 떠 있을 것입니다.
이때도 물과 철의 운동은 위의 설명과 똑같습니다.

참고로 다음에 있는 무중력에서의 여러 실험 동영상을 퍼와봅니다. 출처가 표기되어있지는 않지만 Nasa에서 교육용으로 배포한 것으로 생각됩니다.

충격파가 전달되는 등의 모양이 매우 잘 나타나고 있습니다. 위에서 제가 설명한 것이 어떤 것인지도 잘 보여주고 있습니다. 물에 다른 물질을 접촉시키면 위에서 설명했듯이 물 속으로 딸려들어갑니다.
동영상 후반부에 알약을 물에 넣는 모습이 보이는 것이 그 대표적인 모습입니다.

어떤 다큐를 보니 우주비행사가 심심풀이로 우주에서 비닐봉지에 (설탕, 미원 같은) 여러 가지 가루들을 넣고 흔드는 실험을 했다고 합니다. 실험 결과
가루들끼리 뭉치는 모습을 볼 수 있었습니다. 사람들은 이를 보고 우주에 성운들이 뭉치는 원리가 아닌가 추측하고
있다 합니다.

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