5월의 작은 선인장

베르누이의 원리에 대해서 아시는 분들이 꽤 많으실 것 같습니다.
사실 저는 베르누이의 원리를 잘 모릅니다. 아무리 살펴봐도 왜 이런 현상이 나타나는 건지 이해할 수가 없더군요. (혹시 저에게 설명해 주실 분이 계신다면 언제든지 환영입니다.)

하지만 제가 이해하는 것에 앞서서 관련 현상들은 여기저기서 나타나고 있습니다.
그 예들 몇 가지는 이전에 소개해 드린 적이 있었으니 넘어가도록 하고.....

이 글에서는 얼마 전에 찍은 동영상을 보여드리고자 합니다.


위의 실험에서 사용한 탁구공은 문방구에서 파는 평범한 탁구공이고, 빨대는 카페 전문점에서 제공하는 끝이 접히는 보통 빨대입니다. 저 빨대는 이 실험을 하기에는 사실 약간 좁습니다. 더 큰 빨대를 찾으면 더 재미있는 실험을 하실 수 있을 것이라고 생각합니다.

탁구공이 빨대 끝에서 떨어지지 않고 흔들흔들 하면서 위치를 유지하는 이유는 탁구공 주변에 형성되는 불균일한 바람에 의해서 형성되는 베르누이의 원리에 의해 형성된 힘 때문입니다.

탁구공이 떨어지려면 빨대의 한쪽 옆으로 떨어져야 하는데, 한 쪽 옆으로 탁구공이 움직이면 반대쪽에 바람이 더 많이 지나가게 됩니다. 그러면 바람에 의해 베르누이의 원리대로 탁구공이 다시 가운데로 힘을 받습니다.
바람의 세기와 압력은 반비례한다는 베르누이의 원리는 모두 알고 계시죠? (저만 모를 것이라고 생각합니다. ^^) 압력은 단위면적에 가해지는 힘이므로 압력이 작아진다는 것은 누르는 힘이 줄어든다는 말과 같습니다. 반면 반대쪽의 압력은 그대로이므로 반대쪽에서 누르는 힘은 그대로입니다. 결국 바람이 지나는 쪽과 반대쪽은 힘의 평형이 무너지고, 탁구공은 바람이 있는 쪽으로 되돌아옵니다.
중앙에 온 탁구공은 더이상 힘을 받지 못하므로 (관성에 의해서) 반대쪽으로 계속 움직이려고 하고, 반대쪽으로 밀려나가면서 처음과 같은 과정을 거치므로 결국 탁구공은 계속 흔들흔들 하면서 한 자리를 유지하게 됩니다.

빨대의 크기가 충분히 크면 탁구공을 위로 더 높이 띄워 올릴 수가 있습니다. 보통 수 cm 정도까지는 그리 어렵지 않습니다. 하지만 그정도로 충분히 큰 빨대는 구하기가 쉽지 않더군요. ^^;;;;
더불어서 바람의 세기와 양만 충분히 확보할 수 있다면 탁구공 뿐만 아니라 쇠공처럼 무거운 것들도 띄울 수 있지 않을까 생각해 봅니다. 물론 실험해 보지 않고서는 알 수 없겠죠. ^^


이와 비슷한 실험으로 깔대기의 넓은 쪽에 탁구공을 넣고, 좁은 쪽에서 바람을 불어넣는 실험도 있습니다. 신기하게도 탁구공은 중력에 의해서 밑으로 떨어지지 않고 깔데기 속으로 달려들죠. 깔데기를 사용한다면 깔데기를 위나 옆이 아닌 아래쪽으로 향해서도 실험할 수 있습니다.
깔데기가 없다면 PET 병의 주둥이 부분을 잘라서 실험할 수도 있습니다. 바람 조절이 힘들기는 하지만....^^

PET병 몇 개를 잘라서 실험해본 결과 깔데기의 모양새에 따라서 실험이 잘 될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다는 걸 알게 됐습니다. 동영상으로 보여드릴만한 실험은 아니라서 말로 설명드리자면, 탄산음료수 PET병 같이 목이 갑자기 넓어지는 경우보다 맥주 PET병처럼 어느정도 균일하게 넓어지는 PET병이 훨씬 실험이 쉬웠습니다.

ps. 동압과 정압에 대해서....

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수도꼭지 끝에 공기방울이 맺히는 이유는?

수돗물이 나올 때 수도꼭지 끝에 물이 넓게 부풀면서 물이 나오는 경우가 있다. 수도꼭지 끝에 공기방울이 맺히면서 나타나는 현상인데 상식적으로는 공기가 물에 비해서 매우 많이 가벼움으로 물에 의해서 공기방울이 밀려나는 것은 당연한데 실제로는 쉽게 없어지지 않는다. 왜 그런 걸까?

수도꼭지의 끝에 망이 달린 것들은 공기방울이 더 쉽게 생기지만 제외하기로 하고, 망이 달리지 않은 수도꼭지도 적절히 수도꼭지를 틀면 공기방울이 맺힐 수 있다. 이 공기방울을 없애려면 손으로 공기방울을 제거해 주거나(손으로 제거하기는 쉽다. 대칭성만 깨주면 사라진다.)수도를 잠갔다가 다시 틀면 된다. 물론 공기방울이 맺히기 위해서는 수도꼭지에서 흘러나오는 물의 흐름이 균일해야 한다.
그리고 공기방울이 생기면 물방울이 사방으로 튈 뿐 아니라 물의 흐름이 느려지게 된다.

※ 오른쪽의 그림보다 실제 공기방울은 더 크게 형성된다. 그림을 알아보기 쉽게 하기 위해서 과장하여 그렸다.


우선 실험을 하나 해보자.

비교적 간단한 실험임에도 불구하고 재미있는 현상이 발생함을 알 수 있다. 우리가 아무리 입김을 세게 하더라도 탁구공이 깔대기에서 떨어지지는 않고 깔대기 끝에서 진동을 하면서 붙어있다. 반면 입김을 부는 것을 그치면 탁구공은 그냥 밑으로 떨어진다.
이런 현상이 생기는 이유는 깔대기와 탁구공 사이에 바람이 빠르게 지나가면서 베르누이의 원리에 의해서 탁구공과 깔대기에 미치는 압력이 낮아지기 때문이다. 그래서 탁구공이 압력이 낮은 방향으로 힘을 받기 때문에 탁구공은 떨어지지 않는다. 이 실험은 탁구공이 옆을 향하게 서서 실험해도 되지만, 탁구공이 지면을 향하거나 하늘을 향해 있어도 가능하다.

수도꼭지에서 공기방울이 나타나는 현상도 탁구공 현상과 완전히 동일하게 생각할 수 있다.
수도꼭지의 끝에 공기방울이 생기면 수돗물은 수도꼭지의 끝에서 수도꼭지와 공기방울 사이를 빠른 속도로 지나야 한다. 그렇다보니 수도꼭지와 공기방울은 낮은 압력을 받게 되고, 탁구공처럼 밑으로 떨어지지 않게 된다. 이 현상은 일반적인 상식과는 완전히 다른 현상이므로 주의깊은 학생들이 과학선생들을 꽤 많이 난처하게 만들었을만한 현상일 것이다. ^^

탁구공이나 공기방울이 완전히 정지상태에 있지 않고 계속 진동하는 것은 너무 가까이 붙어 있게 되면 유체의 흐름이 막혀서 베르누이의 효과가 줄어들고, 좀 떨어지면 유체흐름이 빨라져서 달라붙으려는 힘이 강해지기 때문이다. 그러나 탁구공이나 공기방울이 깔데기나 수도꼭지로부터 너무 멀어지면 유체의 흐름이 느려져서 베르누이의 효과가 줄어들기 때문에 그냥 튕겨 나간다.

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빠르게 달리는 기차 옆에 서면 몸이 딸려 들어가는 이유는?

관련된 실험을 하나 해보자.

충분히 생각하신 분은 이 링크를 클릭하고 답을 보세요.

참고삼아 베르누이의 원리와 관련있는 한 가지 현상을 더 살펴보자.

'양력'을 모두 알고 있을 것이다. 비행기 날개와 같이 윗쪽이 아래쪽보다 공기와의 접촉면적이 넓을 때 윗쪽으로 받는 힘을 말한다. 이러한 양력은 비행기 날개의 아랫면에 형성되는 바람의 속도보다 날개의 윗면에 형성되는 바람의 속도가 빠르기 때문에 베르누이의 원리에 의해서 윗쪽으로 힘이 형성되기 때문에 발생한다. 하지만 양력은 사실상 속도가 느릴 때 형성되는 것으로, 속도가 빠르면 양력과는 무관하게 날개가 공기를 밑으로 누르는 힘의 반작용으로 비행기가 떠오르게 된다. 그래서 저속 항공기와 고속 항공기는 날개의 단면이 확연이 다르게 생겼다.

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