자연 상태의 물방울과 물의 표면

물방울

 

자연에 있는 물의 표면과 물

자연에서 모세관 현상에 대해 알아보았다면, 이번에는 자연 상태의 물의 표면에 대해 살펴보자. 가장 쉽게 생각해 볼 수 있는 것 빗방울이 물 표면에 떨어지면 어떻게 될까? 직관적으로 빗방울은 그 즉시 물의 표면에 합류할 것이라고 생각된다. 그러나 물방울이나 물의 표면은 배타 구역을 가주고 있기 때문에 즉시 합류하지 않을 수도 있다.

물방울의 합류가 지연되는 현상이 알려진 지는 꽤 오래되었고 연구도 간헐적으로 이루어졌다. 그러나 그 원인을 아는 사람은 드물었다. 물의 비밀 하나를 더 밝히고자 그들은 연구를 진척시켰다. 조건만 잘 맞추면 물방울이 떠 있는 모습을 자세히 관찰할 수 있다. 10밀리리터가 조금 안 되는 높이에서 떨군 물방울은 물 표면에 합류하기 전에 잠깐 일관되게 물에 떠 있다. 한편 물방울이 또르르 옆으로 굴러가거나 하면서 물 표면에 합류되는 시간도 길었다. 물방울은 수 초 동안 지속되기도 했다.

시간의 지연은 표면 배타 구역 층에서 물방울이 튀어 오르는 시간 때문일지도 모른다. 물방울이 굴러갈 때 접촉면은 계속해서 변한다. 물방울은 계속 새로 튀어 올라야 한다. 물에 합류하는 데는 시간이 필요하다.

각각의 도약 단계마다 물방울은 자신의 성분 일부를 아래쪽에 있는 물 표면에 빼앗긴다. 간혹 물방울은 표면에 파도를 일으킬 정도로 힘차게 떨어지기도 하고 옆에 있는 물방울이 튀어 오르게 할 수도 있다. 물방울은 대여섯 번 튀어 오르면서 물 표면에 합류한다. 물의 이런 특징적인 움직임은 수수께끼로 알려져 있다.

 

배타 구역을 포함하는 구조가 물 표면을 수놓는다. 이 표면 구조는 소체의 집합체로 구성되어 있다. 배타 구역 물질도 가지고 있을 것이다. 이들은 자가 조직화 과정을 거쳐 모자이크 배열을 만든다. 모자이크 배열에 관한 부분은 다른 글에서 알아보았다. 이 배열은 물 표면에서 아래쪽으로 수 밀리미터 혹은 수 센티미터까지 확장될 수 있다.

실제 자연 상태의 물에서 관찰되는 계명 장력의 세기는 매우 커서 조그마한 도마뱀이 물 위를 뛰게 할 수 있고 배가 물에 떠 있게 할 수도 있다. 이런 장력을 만들어내는 것은 모두 물 표면 아래 형성된 배타 구역 모자이크 구조이다. 이 구조를 이용해 물이 빚어내는 많은 현상을 설명할 수 있다. 예를 들어 저번에 알아보았다 배가 지나간 자국, 나무 물관의 모세관 현상, 지진 해일의 거대한 파도, 물방울이 물에 떠 있는 현상 등이 그런 것이다. 

 

아이스크림을 더 빨리 만들기

1963년 당시 에라 스토커 음 펨바(Erato Pemba)는 탄자니아 중학교 학생이었다. 요리 실습이 있던 어느 날 학생들은 아이스크림을 만들기 위해 학생들은 재료가 미리 섞인 가루를 물속에 넣은 다음 휘휘 젓고 냉동고에 집어넣었다. 

음 펨바는 뭔가 이상한 걸 알아챘다. 찬물 대신 미지근한 물을 사용해서 분말을 섞으면 아이스크림이 더 빨리 만들어지는 것이다. 따듯한 물이 더 쉽게 어는 것 같았다. 중학교 선생님은 그런 일은 불가능할 것이라고 했지만 그는 그 현상이 머릿속에 계속 남았다. 그가 고등학생이 되었을 때 이 기억에 관해 초빙되었던 물리학 교수였던 데니스 오 주는(Denis Osborne) 이에게 물었지만, 반응이 시큰둥했다. 열역학에 기초해서 생각해봐도 뜨거운 물이 찬물보다 더 빨리 언다는 것은 불가능할 것 같았기 때문이다. 그런데도 그는 생각을 굽히지 않았고, 오즈번을 설득해서 정제 술을 가지고 실험을 해보았다. 놀라운 일이 벌어졌다. 오즈번이 음 펨바의 관찰 결과를 재확인하는 데는 오래 걸리지 않았다. 이들의 논문은 이제 고전이 되었다. 이 현상을 현대적으로 재현한 영상도 존재한다. 이런 역설적인 현상의 중요성을 놓치지 않은 중학생의 공로로 돌려야 마땅하지만, 이와 비슷한 현상은 이미 오래전에 알려져 있었다. 아리스토텔레스도 그중 하나이다.

 

'음 펨바 효과'(Pemba effect)라고 불리는 이 역설적인 현상은 얼음이 만들어지는 과정에서만 관찰되는 건 아니다. 얼음은 고체처럼 보이고 움직이지 않는 물 덩어리지만 얼음이 어는 과정을 정확히 이해하기 위해 풀어나가야 할 역설적인 과정이 여러 가지 있다.

그동안 항상 빠지지 않고 나왔던 배타 구역도 여기서 어떤 역할을 하는 것인지, 배타 구역의 구조가 얼음과 비슷하다면 배타 구역이 관여하는 것은 불가피한 것처럼 보인다. 배타 구역은 얼기 전 물의 상태일 수도 있지만 녹을 수도 있다. 

다음 글에서 이 부분에 대해 더 알아보려고 한다.

 

전문 서적을 참고하여 작성하였습니다.