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이웃집과학자

비누방울에 수학 문제 있다

By 이웃집과학자

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예뻐..

출처pixabay

비누방울은 물, 공기, 비누로 이뤄져있습니다. 아이들이 참 좋아하는 비누방울인데요. 그런데 이 비누방울을 이용해 수학 문제를 풀 수 있다고 합니다.


표면 장력 때문에 둥글게 둥글게~

출처pixabay

물 분자는 수소원자 두 개와 산소원자 하나로 이뤄집니다. 대부분의 물방울 표면에서는 안으로 끌어당기는 힘이 작용합니다. 이러한 특성을 '표면장력'이라고 부르는데요. 여기에 비누를 섞으면 비누 분자가 물방울 표면장력을 약하게 만들어 더 탄력 있고 쉽게 방울 모양을 이루게 만든다고 합니다.


또 다른 물방울의 특성은, 기하학적으로 언제나 완벽한 모양을 지속하려고 한다는 점인데요. 물방울이 '구' 형태를 띠는 이유는 구가 단위부피당 표면적이 가장 작기 때문입니다. 

자, 그럼 여기서 문제!

방울 4개 모이면 이렇게 됩니다~

출처TED

두 개의 플라스틱을 핀 4개로 고정.

출처TED

생각해보세요~

출처pixabay

생각 다 하셨나요? 그렇다면 정답은?

신기해.

출처TED

첫 번째 문제에 대한 답은 바로 이 사진에 담겨 있습니다. 신기하게도 비누방울 정중앙에 정육면체가 나타나는 것인데요. 

두 번의 질문에 대한 답도 비눗물에 담가보면 바로 알 수 있습니다. 비눗방울이 언제나 표면적을 최소화하는 형태로 만들어지기 때문에 완벽한 기하학적 배열을 만들어 낸다는 것인데요. 참 신기하죠?


오호.

출처TED

신기한 비누방울 수학 문제죠? 이런 기발한 생각은 누가했을까요?

리 웨이 탄(Li Wei Tan) 강연 중.

출처TED

네, 바로 포뮬라 사이언티스트(Formulation scientist) 리 웨이 탄(Li Wei Tan)인데요. 

펭귄이 왜 수영 잘하나 했더니~

출처TED

이웃님들, 동물원에서 펭귄이 수영할 때 몸에서 물방울이 지나가는 장면을 본 적 있으신가요? 사실 여기에는 엄청난 과학적 원리가 숨겨져 있었습니다. 물방울들은 펭귄의 수영 속도를 40% 이상 높여준다고 하는데요. 펭귄이 잠수하기 전 깃털 아래 공기를 보관했다가 헤엄칠 때 조금씩 내보내면서 물방울 구름을 만든다고 합니다. 그러면 이 물방울들은 펭귄 주변의 물의 밀도를 낮춰 물의 저항을 줄여주죠. 수영하기 훨씬 수월해지는 겁니다.

인간은 따라쟁이~

출처TED

이러한 원리는 수 천개의 컨테이너를 싣고 대양을 가로지르는 선박들에서도 사용된다고 하는데요. '공기 윤활 시스템'이 바로 그것입니다. 수 많은 공기방울을 만들어 배 바닥 전체에 공기카펫을 만들어 주는 원리입니다. 물방울 덕분에 물의 저항이 줄어들어 배가 쉽게 움직일 수 있도록 도와준다고 합니다. 심지어 이 방법은 배의 에너지 소모를 15%나 줄여줍니다.

초미세방울을 놓치면 액정이 이렇게 된답니다.

출처TED

한편, 리 웨이탄의 진짜 직업은 잉크제제학자라고 하는데요. 정확하게 말하자면 유기태양전지(OPV)나 유기발광다이오드(OLED) 같은 장치에 들어있는 잉크를 다룬다고 합니다.

그런데 이 잉크를 만들 때 어쩔 수 없이 잉크 안으로 소량의 공기방울이 들어가게 된다고 합니다. 이 공기방울은 잉크 속 μm, nm 틈새로 들어갈 수 있다고 하는데요. 이 정도 크기의 방울을 제거하는 것은 쉽지 않다고 합니다. 만약, 스마트폰 화면에 쓰이는 유기발광다이오드에 들어간 이 작은 방울을 없애지 않으면, 시간이 지나면서 산소나 수분이 유입돼 픽셀에 검은 점들이 보이게 된다고 합니다. 리 웨이탄에 따르면, 이 초미세방울을 제거할 대에는 잉크 속으로 아주 얇고 작은 구멍이 뚫린 튜브를 밀어넣어 진공챔버에 넣어 방울들을 빼낸다고 합니다.


##참고자료##

<비누부터 샴페인까지 환상적인 거품의 과학>, TED


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