거품 속의 과학

Howard Stone 교수는 12월 18일 연례 SEAS Holiday 강의에서 거품 형성과 관련된 과학을 설명했습니다. (Photo by Eliza Grinnell/SEAS Communications)

클립을 물이 담긴 컵에 떨어뜨리면 빠르게 바닥으로 가라앉습니다. 하지만 같은 클립을 물 표면에 부드럽게 올려놓으면 물에 뜰 것입니다.

종이 클립이 다르게 작동하는 이유는 무엇입니까? 대조적인 결과는 표면 장력에 의해 발생한다고 Howard Stone 교수는 12월 18일 John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences에서 열린 제15회 연례 휴일 강의에서 설명했습니다.

물 분자는 공기 분자보다 서로 더 큰 인력을 갖고 있기 때문에 물과 공기의 경계면에서 표면 장력이 발생합니다. 이로 인해 얇은 막으로 덮여 있는 것처럼 액체 표면 전체에 안쪽으로 힘이 가해집니다.

종이클립 실험은 전 하버드 교수이자 현재 프린스턴 대학교 기계항공우주공학과의 딕슨 교수인 Stone이 수백 명의 지역 어린이와 그 부모에게 과학의 힘을 보여주기 위해 사용한 여러 대화형 시연 중 하나였습니다.

Stone은 연구 조수인 Daniel Rosenberg와 함께 거품을 불고, 물 풍선을 터뜨리고, 물과 에탄올 방울의 크기를 비교하고, 물 표면에 줄 조각을 띄우고, 소금쟁이가 작동하는 슬로우 모션 비디오를 보여주었습니다. 표면장력의 효과를 설명한다.

Stone(왼쪽)과 Rosenberg가 물 풍선을 터뜨려 물이 떨어질 때 표면 장력과 중력이 물의 모양에 어떻게 영향을 미치는지 보여줍니다. (사진 제공: Eliza Grinnell/SEAS Communications.)

표면 장력이 붕괴되어 Stone의 실험에서 비누 몇 방울만 물에 첨가하면 종이 클립이 물 탱크 바닥으로 떨어지게 됩니다.

물 표면에 형성되는 비누막은 힘이 경계면에서 어떻게 독특한 특성을 만들어내는지를 보여주는 또 다른 예라고 Stone은 설명했습니다. 비누 분자는 친수성 성분과 소수성 성분으로 구성됩니다. 소수성 성분은 물 분자를 통과하여 빠져나오며 얇은 유체층으로 분리된 두 줄의 비누 분자로 구성된 필름을 형성합니다.

"우리는 비누막을 줄다리기로 생각합니다"라고 그는 말했습니다. "영화 전체가 압박을 받고 스스로 당기고 있습니다."

청중에 있는 어린이들은 이 화학적 과정을 설명하도록 요청받았습니다. 강의실 앞쪽에는 소수성, 친수성 라벨이 붙은 티셔츠를 입은 아이들이 비누 분자 역할을 하고 있었고, 양쪽에는 물 분자를 상징하는 파란색 셔츠를 입은 아이들이 줄지어 서 있었습니다. 손을 꼭 잡은 인간 비누막이 강의실 앞을 휘감아가며 자리에 앉은 학부모들의 환호를 이끌어냈다.

Stone은 아이들이 비누막을 형성하는 연기를 하도록 지시합니다. (사진 제공: Eliza Grinnell/SEAS Communications.)

9세 Rachel Liu의 강의에서 화학반응을 직접 연기해 볼 수 있는 부분이 가장 즐거웠습니다. 그녀는 특히 비누 분자의 친수성 및 소수성 구성 요소에 대해 배우는 데 관심이 있었습니다.

"과학은 우리 주변의 세계에 대해 많은 것을 알려줍니다"라고 그녀는 말했습니다.

Stone의 발표를 들은 8세 Walter Hopwood는 더 이상 비눗방울을 당연한 것으로 여기지 않을 것이라고 말했습니다. 그는 Stone과 Rosenberg가 각 프로세스를 설명하기 위해 "멋진 실험"을 사용하는 방법에 깊은 인상을 받았습니다.

아이들에게 과학적 원리에 대한 기본적인 이해를 제공하고 호기심을 유지하도록 격려하는 것이 강의의 목표라고 Stone은 말했습니다. 그는 1890년에 출판되어 오늘날에도 여전히 인쇄되고 있는 책 "비누 방울"에서 영감을 얻었습니다. 이 책은 영국의 물리학자 찰스 버논 보이즈(Charles Vernon Boys)가 1800년대 후반 런던의 가족들에게 발표한 연속극 필름의 특성에 대한 공개 강의 모음을 기반으로 합니다.

스톤은 "이 아이들이 항상 배울 것이 더 많다는 것을 깨닫기를 바란다"고 말했다. "계속해서 질문하고, 깊이 생각하고, 자신만의 관찰을 하세요. 세상에는 흥미로운 것들이 너무 많습니다."