모터없이 도는 표면장력 프로펠러

“현민이 집에 안 가고 뭐하고 있니?” 

“아, 선생님. 비가 오는데 우산을 안 가져와서요, 엄마가 오시길 기다리고 있어요!” 

“그래? 그런데 뭘 그렇게 자세히 보고 있어?” 

“빗방울이요.” 

“빗방울? 빗방울이 왜?” 

“저 잎사귀에 떨어지는 비를 보면 그냥 흘러내리는 게 아니고 둥글둥글 뭉쳐서 흘러내려요. 참 신기하죠?” 

“아~그렇구나. 그건 표면장력 때문이야.” 

“표면장력이요? 그게 뭔가요?” 

“모든 액체 분자는 표면을 최소화하려는 성질이 있어. 특히 표면에 있는 액체 분자들은 공기와 닿아 있어서 옆의 분자들을 그만큼 더 세게 끌어당기게 되는데, 이렇게 서로 끌어당기는 힘을 표면장력이라고 해. 그래서 물분자끼리 뭉쳐 둥근 모양이 되는 거란다.” 

“그렇구나. 아침에 풀잎에 맺히는 이슬이 둥글게 맺히는 것도 그래서군요?” 

“맞아. 표면장력 때문에 물 표면은 꽤 질긴 막처럼 변하지. 소금쟁이가 물위를 미끄러져 갈 수 있는 것도, 컵에 가득 채운 물 표면이 위로 볼록하게 솟아오르는 것도 표면장력 때문이란다.” 

“이야~표면장력이라는 게 어려운 얘기인 줄 알았는데 쉽게 볼 수 있는 현상이네요?” 

“그렇지? 그럼 엄마 기다리는 동안 선생님이 재밌는 걸 하나 보여줄까?” 

[실험방법] 

준비물 : 거름종이, 에탄올, 수정액, 가위, 수조(또는 물을 담을 수 있는 넓은 그릇) 

1. 거름종이를 프로펠러 모양으로 오린다. (일반 종이보다 물에 젖었을 때 더 질긴 기름종이가 실험하기 좋다. 집에서 커피 거르는 용지를 사용하면 된다.) 

2. 수정액을 프로펠러 날개의 한쪽 변에 골고루 바른다. 

3. 거름종이에 에탄올을 떨어뜨려 적신다. (에탄올은 약국에서 소독용 알코올을 구하면 된다.) 

4. 수조의 물 위에 프로펠러를 띄운 뒤 움직임을 관찰한다. 

※ 반복실험을 할 때는 사용한 물은 버리고 새로 담아 사용한다. 

“우와! 프로펠러가 빙글빙글 막 돌아가요.” 

“그래, 어떻게 돌아가는 걸까?” 

“정말 어떻게 돌아가는 거죠? 그냥 물 위에 띄워놓은 건데 마술 같아요.” 

“하하.. 이건 액체에 따라 표면장력의 크기가 차이나기 때문이란다. 물은 72.75mN/m, 에탄올은 22.3mN/m, 액체 중에 수은의 표면장력이 가장 세서 487mN/m이야. 또 표면장력은 액체와 닿은 표면에 따라 많이 달라지는데, 가령 물은 기름과 만나면 표면장력이 커지지.” 

“와~ 표면장력이 다 똑같은 게 아니네요.” 

“그래, 프로펠러 모양의 거름종이에 에탄올을 떨어뜨려 적시면 수정액을 묻힌 부분은 에탄올이 스며들지 못하겠지? 에탄올과 물이 만나는 부분의 표면장력보다 수정액과 물이 만나는 부분의 표면장력이 더 세단다. 그래서 수정액이 묻은 부분의 표면장력이 에탄올이 묻은 반대편보다 세서 그 방향으로 밀어내는 힘이 작용해 프로펠러가 돌게 되는 거란다.” 

“표면장력이라는 게 무슨 힘이 있을까 했는데 이렇게 프로펠러를 돌릴 수 있을 정도의 힘이라니 정말 놀라운데요?” 

“그렇지? 때로는 표면장력을 줄이는 게 우리 생활에서 도움이 되기도 한단다. 표면장력이 크면 다른 물질과 섞이는 것을 방해하거든. 예를 들면 비누는 물과 결합하는 부분과 기름과 결합하는 부분을 한꺼번에 가지고 있어서 물 속에 들어갔을 때 물의 표면장력을 약하게 해 주고 물분자가 기름 분자를 끌어당기게 도와주지. 그래서 더러운 때를 씻어주는 거란다.” 

“우리가 매일 쓰는 비누에도 그런 비밀이 숨어있었군요. 정말 주변을 둘러보면 그냥 생긴 게 없네요.” 

“현민아!” 

“아, 엄마다! 선생님 오늘 감사합니다! 집에 가서 비누로 씻으면서 표면장력에 대해 복습할께요!” 

“하하, 녀석. 그래 잘 가라!”(글 : 과학향기 편집부) 

 

※표면장력의 활용 

1. 식물이 물관을 통해 물을 끌어올리는 중요한 힘 중 하나는 표면장력이다. 표면장력이 없다면 식물은 살아남기 힘들었을 것이다. 

2. 맥주컵이 깨끗하지 않으면 맥주 거품의 표면장력이 약해져 거품이 잘 생기지 않는다. 표면장력은 표면이 깨끗하면 커지고, 더러우면 작아지기 때문이다. 

3. 비누방울 놀이는 물의 표면장력을 높인 결과다. 표면장력을 극대화하면 사람 크기보다 더 큰 비누방울도 만들 수 있다. 

4. 방수천은 표면장력을 높여 물이 스며들지 못하도록 만든다. 물분자 하나의 크기는 방수천에 나있는 구멍보다 작지만 표면장력 때문에 물분자끼리 뭉치기 때문에 통과하지 못한다.

(출처 : KISTI의 과학향기)