탁구공으로 할 수 있는 베리누이 원리 실험 두 가지

수도꼭지 끝에 공기방울이 맺히는 이유는?

노란색이 공기방울인데, 파란 화살표가 공기방울이 받는 힘의 방향이다.
수도꼭지와 공기방울
수돗물이 나올 때 수도꼭지 끝에 물이 넓게 부풀면서 물이 나오는 경우가 있다. 수도꼭지 끝에 공기방울이 맺히면서 나타나는 현상인데 상식적으로는 공기가 물에 비해서 매우 많이 가벼움으로 물에 의해서 공기방울이 밀려나는 것은 당연한데 실제로는 쉽게 없어지지 않는다. 왜 그런 걸까?

수도꼭지의 끝에 망이 달린 것들은 공기방울이 더 쉽게 생기지만 제외하기로 하고, 망이 달리지 않은 수도꼭지도 적절히 수도꼭지를 틀면 공기방울이 맺힐 수 있다. 이 공기방울을 없애려면 손으로 공기방울을 제거해 주거나(손으로 제거하기는 쉽다. 대칭성만 깨주면 사라진다.)수도를 잠갔다가 다시 틀면 된다. 물론 공기방울이 맺히기 위해서는 수도꼭지에서 흘러나오는 물의 흐름이 균일해야 한다.
그리고 공기방울이 생기면 물방울이 사방으로 튈 뿐 아니라 물의 흐름이 느려지게 된다.

※ 오른쪽의 그림보다 실제 공기방울은 더 크게 형성된다. 그림을 알아보기 쉽게 하기 위해서 과장하여 그렸다.

우선 실험을 하나 해보자.

1. 우선 깔대기와 탁구공을 준비하자. 깔대기는 잘 씻어야 한다.
2. 깔대기의 뾰족한 끝을 입에 물고 넓은 쪽의 안에 탁구공을 넣는다. 탁구공이 떨어지지 않도록 손으로 잡는다.
파란 색 화살표는 탁구공이 힘을 받는 방향이다.
깔데기 끝을 입으로 물고 입김을 내보낸다.

3. 깔대기를 옆으로 향하게 하고, 입으로 깔대기 끝으로 입김을 불면서 탁구공을 잡고 있던 손을 뗀다.
[footnote]깔대기가 입 밖으로 빠져 날아갈 수 있으므로 주의한다.[/footnote]

비교적 간단한 실험임에도 불구하고 재미있는 현상이 발생함을 알 수 있다. 우리가 아무리 입김을 세게 하더라도 탁구공이 깔대기에서 떨어지지는 않고 깔대기 끝에서 진동을 하면서 붙어있다. 반면 입김을 부는 것을 그치면 탁구공은 그냥 밑으로 떨어진다.
이런 현상이 생기는 이유는 깔대기와 탁구공 사이에 바람이 빠르게 지나가면서 베르누이의 원리에 의해서 탁구공과 깔대기에 미치는 압력이 낮아지기 때문이다. 그래서 탁구공이 압력이 낮은 방향으로 힘을 받기 때문에 탁구공은 떨어지지 않는다. 이 실험은 탁구공이 옆을 향하게 서서 실험해도 되지만, 탁구공이 지면을 향하거나 하늘을 향해 있어도 가능하다.

수도꼭지에서 공기방울이 나타나는 현상도 탁구공 현상과 완전히 동일하게 생각할 수 있다.
수도꼭지의 끝에 공기방울이 생기면 수돗물은 수도꼭지의 끝에서 수도꼭지와 공기방울 사이를 빠른 속도로 지나야 한다. 그렇다보니 수도꼭지와 공기방울은 낮은 압력을 받게 되고, 탁구공처럼 밑으로 떨어지지 않게 된다. 이 현상은 일반적인 상식과는 완전히 다른 현상이므로 주의깊은 학생들이 과학선생들을 꽤 많이 난처하게 만들었을만한 현상일 것이다. ^^

탁구공이나 공기방울이 완전히 정지상태에 있지 않고 계속 진동하는 것은 너무 가까이 붙어 있게 되면 유체의 흐름이 막혀서 베르누이의 효과가 줄어들고, 좀 떨어지면 유체흐름이 빨라져서 달라붙으려는 힘이 강해지기 때문이다. 그러나 탁구공이나 공기방울이 깔데기나 수도꼭지로부터 너무 멀어지면 유체의 흐름이 느려져서 베르누이의 효과가 줄어들기 때문에 그냥 튕겨 나간다.


빠르게 달리는 기차 옆에 서면 몸이 딸려 들어가는 이유는?


관련된 실험을 하나 해보자.

준비물 : ‘ㄱ’ 자로 꼬부라지는 비교적 두꺼운 빨대, 탁구공
바람을 너무 세게 불면 안 된다.
탁구공의 위치

1. 꼬부라지는 빨대를 완전히 90도로 꺾어서 그 끝이 위로 향하게 하고 긴 쪽 끝을 입으로 문다.
2. 탁구공을 빨대의 끝 위에 올려놓는다. 떨어지지 않게 손으로 잡고 있어야 한다.
3. 입으로 입김을 적당히 불면서 탁구공을 놓는다.

처음 할 때는 잘 안 되겠지만 연습을 하다 보면 탁구공이 날아가지 않고, 공중에 붕 떠 있는 것을 관찰할 수 있다. 어떻게 이런 일이 있을 수 있게 된 것일까??

[#M_충분히 생각하신 분은 이 링크를 클릭하고 답을 보세요.|맞추셨나요? 와우~~|그림을 보면 알겠지만, 빨대 끝에서 나온 입김은 위로 올라가게 된다. 이 때 탁구공을 위로 들어올리므로 탁구공이 뜨게 된다. 하지만 탁구공은 중력에 의해서 땅으로 잡아당겨지고 있으므로 입김의 옆으로 빠져나와 땅으로 떨어지려고 할 것이다.

입김을 불면 바람을 벗어나려고 할 때 바람으로 향하는 압력(파란 화살표)이 작용한다.
탁구공의 위치와 바람

탁구공이 바닥으로 떨어지려고 할 때 탁구공의 한쪽 끝이 입김의 중심부를 지나게 된다. 입김의 중심부는 가장 빠른 바람이 형성되고 있기 때문에 베르누이의 원리에 의해서 입김의 안쪽으로 향하는 힘(작은 압력)을 받게 만든다. 중심부에서 멀어지면 멀어질수록 입김의 영향력은 줄어들므로 바람의 속도가 느려져 큰 압력을 형성시켜 탁구공이 입김의 중심부로 향하게 만든다.
결국 입김의 중심을 벗어나지 못하는 탁구공은 중력과 입김에 의해 받는 힘의 평형점에서 가만히 있게 된다.
빨대에서 멀어지면 바람이 흩어지므로 탁구공을 밀어올리는 힘이 줄어들기 때문에 탁구공을 계속 밀어올리지 못한다. 또한 입김을 너무 세게 하면 탁구공이 너무 많이 올라가게 되고, 그렇게 되면 입김이 퍼지는 영역이 넓어져서 탁구공이 다시 중심으로 향하는 힘을 충분히 받지 못하게 만들 것이다. 따라서 적당히 세고 균일하게 입김을 불어주는 것이 중요하다.

이와 같은 현상은 우리 일상생활 속에서도 살펴볼 수 있는데, 빠르게 지나가는 전철이나 기차의 옆에 있을 경우에 우리 몸이 전철이나 기차 쪽으로 딸려 들어가는 것은 우리 몸의 부분부분에 바람의 빠르기가 달라지기 때문이다. 이런 현상은 달리고 있는 기차 안에서 창문을 열거나 출입구을 열고 몸이나 물건을 밖으로 뺄 때도 발생한다. 차 안의 바람은 거의 없기 때문에 차 밖의 빠른 바람과의 사이에서 밖으로 향하는 압력을  만들기 때문이다.
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참고삼아 베르누이의 원리와 관련있는 한 가지 현상을 더 살펴보자.

‘양력’을 모두 알고 있을 것이다. 비행기 날개와 같이 윗쪽이 아래쪽보다 공기와의 접촉면적이 넓을 때 윗쪽으로 받는 힘을 말한다. 이러한 양력은 비행기 날개의 아랫면에 형성되는 바람의 속도보다 날개의 윗면에 형성되는 바람의 속도가 빠르기 때문에 베르누이의 원리에 의해서 윗쪽으로 힘이 형성되기 때문에 발생한다. 하지만 양력은 사실상 속도가 느릴 때 형성되는 것으로, 속도가 빠르면 양력과는 무관하게 날개가 공기를 밑으로 누르는 힘의 반작용으로 비행기가 떠오르게 된다. 그래서 저속 항공기와 고속 항공기는 날개의 단면이 확연이 다르게 생겼다.

6 thoughts on “탁구공으로 할 수 있는 베리누이 원리 실험 두 가지

  1. 마지막 구절.. 좋은거 알았네요-_-;
    처음 들어봤어요ㅋ
    그냥 베르누이의 원리만 알았는데…;;

  2. 과학적인 원리들을 들여다보고 있으면 놀랄 때가 한 두 번이 아닙니다. 수 많은 사례들을 하나로 적립해, 원리를 규명해내는 걸 보면 과학의 대단함에.. ^^;

    1. 기본 원리가 생략되어 있어서 그런 것일까요??? ㅜㅜ
      기본 원리부터 시작해서 시리즈물로 만들어야 하는건가? ㅜㅜ

  3. 단순한 깔때기만 갖고 하는 실험은 대단히 어렵습니다. 고개를 뒤로 젖히고 버텨야 하는데…
    잘못하면 목디스크 걸려요 -_-;;; 하다가 뒷목 잡는다는…

    누워서 실험을 해보거나, 공기 압축기를 사용해서 실험하는 것이 목 건강에 좋습니다.

    1. 저도 해봤는데 그리 어렵지 않던걸요. ^^;
      역시 이런 실험도 개인편차가 있는 걸까요?
      그보다는 빨대를 사용하는 실험이 오랫동안 불 수 없어서 어렵더라구요.

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