'부력 뒤집혔다' 수면 아래로도 떠다니는 배

2020.09.04 06:00
네이처 제공
공기 위로 떠 있는 유체의 아랫면에 배가 떠 다니는 모습이다. 네이처 제공

배가 액체 바닥에서 거꾸로 떠 있을 수 있다는 현상이 발견됐다. 배가 액체에 잠겨 액체 밑바닥까지 침몰하는 수준이 아닌 액체 맨 밑바닥과 배의 바닥이 붙어 액체에 거꾸로 매달려 떠있는 듯한 형상이다. 상식적인 자연 현상을 뒤집은 연구결과다.

 

에마뉘엘 포르트 프랑스 파리과학인문대(PSL) 교수팀은 유체를 공기 중에 띄워 생긴 아랫면에 배를 거꾸로 둥둥 띄우는 데 성공하고 연구결과를 2일 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다.

 

물과 같은 액체보다 훨씬 가벼운 종이배는 부력을 이용해 액체 윗면에 떠다닌다. 부력은 유체에 잠긴 물체가 잠긴 물체 부피에 해당되는 액체의 무게만큼 중력의 반대 방향으로 떠오르는 힘이다. 물보다 가벼운 공기를 채운 튜브는 부피는 크지만 부력이 세 위로 떠오른다. 반대로 돌처럼 무거운 물체는 부력이 약해 아래로 가라앉는다. 

 

또 물을 비롯한 액체, 고체는 중력에 의해 바닥으로 떨어진다. 정전기를 이용한 자기부상과 같은 외부 힘이 없으면 공중에 떠있는 게 불가능하다.  연구팀은 이같은 상식 모두를 뒤집는 데 성공했다. 

 

연구팀은 먼저 글리세롤과 실리콘 오일을 섞어 만든 끈적한 액체가 담긴 밀폐된 용기를 위아래로 흔들면 액체가 공중에 떠있는 현상을 연구했다. 끈적한 액체가 담긴 밀폐 용기를 위아래로 계속 흔들면 용기의 중간에 액체가 공중에서 뜬다는 사실을 발견했다. 이때 끈적한 액체는 용기를 뒤집어도 바로 아래로 쏟아지지 않았다. 액체가 용기 벽에 달라붙는 힘이 떨어지는 현상을 늦추기 때문이라고 분석했다.

 

연구팀은 이렇게 밀폐 용기 속 공중에 뜬 액체의 윗면과 아랫면 모두에 종이배를 띄워보기로 했다. 액체 윗면의 배는 당연히 떴다. 마찬가지로 액체의 아랫면에 거꾸로 띄운 배도 마치 뒤집어진 배가 공중부양을 하듯 액체 아랫면에 붙어 뜰 수 있었다. 액체 속에 가라앉은 가벼운 물체를 떠오르게 하는 힘인 부력으로는 이해하기 힘든 현상이다.

 

네이처 제공
연구팀의 실험 장비다. 밀폐 용기 속에 끈적한 유체를 넣고 위아래로 흔들면 공기 위로 유체가 층을 만든다. 이렇게 만들어진 바닥면에 배를 놓으면 마치 거꾸로 떠있듯 배가 바닥면에 붙게 된다. 네이처 제공

연구팀은 액체보다 훨씬 가벼운 종이배가 아랫면에 띄웠을 때도 뜨는 이유도 부력 때문이라고 설명했다. 바닥 면에 떠다니는 배는 중력 때문에 아래로 떨어져야 한다. 하지만 배가 액체에 잠긴 만큼 부력이 배를 액체 쪽으로 띄워내게 된다. 두 힘이 균형을 이루면서 배가 액체의 바닥에서 거꾸로 떠다니는 이상한 광경이 만들어진 것이다.

 

포르트 교수는 "이번 연구에 대해 배가 수면 아래 거꾸로 떠다니는 영화 '캐리비안의 해적' 속 장면과 같다는 이야기도 나온다"며 "이번 연구가 물 아래 잠긴 플라스틱 입자와 같은 물체를 빠르게 옮기는 데 응용될 수 있다"고 설명했다.

 

 

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