거품 붕괴, 잉크 폭발, 모래위 빗방울...유체는 역동한다

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오철우 2014. 12. 03

[짧은 뉴스]

미국물리학회 유체역학 동영상 경연, 올해의 수상작들 보니

» 무거운 구체가 떨어졌을 때의 유체가 튀기는 여러 모양. 출처/ APS

물이나 공기 같은 액체와 기체(유체)가 보여주는 독특한 역동의 유체역학을 자세히 들여다보게 해주는 동영상들이 소개됐다. 미국물리학회(APS)의 유체역학 분과 연례학회에 발표된 '올해 2014년의 동영상' 수상작들 중에는 떨어지는 잉크 방울을 레이저로 쏘았을 때 잉크 방울이 산산이 부서지거나 폭발하는 역동성, 성냥을 그어 불을 켜고 2초 동안에 일어나는 주변 유체의 요동 등을 1초당 수천, 수만 프레임의 초고속 카메라로 포착한 영상들이 눈길을 끈다. 이런 수상작은 정밀 관측과 기록 장비가 현재 어디쯤 와 있는지 보여주는 측정과학의 현주소이기도 하다. 눈에 띄는 몇 가지를 사이언스온에 정리했다. 더 많은 동영상 작품은 미국물리학회의 유체역학 갤러리에서 볼 수 있다. 복잡한 유체역학 지식 없이도, 고속촬영한 영상을 통해서 액체와 기체들의 기묘한 거동을 흥미롭게 관찰할 수 있다.

■ 레이저의 가격…떨어지는 잉크 방울의 폭발

[ 동영상 http://youtu.be/bRbHDtPbHe0 ]

잉크 방울이 떨어진다. 떨어지는 잉크 방울을 향해 초점을 맞춰 레이저 펄스를 쏜다. 레이저의 에너지는 순간적으로 잉크 방울에 전해지고, 작은 충격파가 일고 또한 잉크 방울의 형상은 일순간에 일으러져 증발하거나 산산이 흩어지거나 심지어 폭발한다. 잉크 방울의 반응은 레이저 펄스의 초점에 얼마나 정확하게 맞았는지, 레이저의 에너지가 얼마나 센지에 따라 다르게 나타났다. 강렬한 폭발을 일으키는 잉크 방울에선 순간 플라즈마가 생성되고, 극자외선(EUV)이 방출되는 효과가 나타난다. 이 영상을 제작한 네덜란드의 연구진은 이런 효과는 반도체 마이크로칩을 제조하는 나노-리소그래피 기기에서 극자외선을 생성하는 데 이용된다며, 동영상에 담긴 연구도 새로운 반도체 칩 제조 공정을 개선하기 위한 것이라고 소개했다.

■ 성냥을 그어 불이 붙고, 2초 동안 일어난 일

[ 동영상 http://youtu.be/TQJAokQQbmI ]

성냥을 그어 불을 켠다. 치이익~! 성냥불이 확 솟아오른다.이 동영상을 제작한 미국 스탠포드대학 연구진은 "유체역학과 연소는 아름답고 복잡하며 보편적이지만, 이런 일상의 연소 장면이 주는 자연적 아름다움을 눈으로 직접 보기는 힘들다"는 말로, 이런 동영상을 만든 동기를 설명했다. 영상에서 성냥을 쥔 손이 성냥갑을 그어 불을 켜면 일순간에 연기가 춤을 추듯 피어오른다. 연기는 리듬을 타고 솟아오른다. 곧이어 오른쪽에 한 사람이 등장해 강한 입김을 불어 불을 끄려 한다. 센 바람으로 성냥의 불과 연기는 흩어지고 이내 불은 꺼질 듯하지만, 강렬한 불꽃은 이내 다시 점화해 피어오른다. 1초당 2천장의 프레임으로 촬영했으며, 입김을 불 때의 장면은 더욱 섬세한 유체 유동을 보기 위해 1초당 1만 프레임으로 초고속 촬영했다고 한다.

■ 모래 위에 떨어진 빗방울의 형상

[ 동영상 http://youtu.be/bmRYYeIqT3w ]

모래밭에 떨어지는 빗방울. 자연의 모래는 아니며 실험실에 90마이크로미터 크기의 과립으로 마련된 인공 모래밭이다. 빗방울이 떨어지는 속도가 달라지면 모래 위에 떨어진 빗방울의 형상도 달라진다.

■ 붕괴하는 버블, 그 내부의 역동성

[ 동영상 http://youtu.be/ZaB5B3pec-A ]

거품의 붕괴. 위에 아무것도 없는 자유 표면의 수면 바로 아래에서 거품(버블)이 붕괴할 때, 즉 터질 때에 일어나는 유체역학의 과정을 프랑스 에콜폴리테크니크 연구진이 초고속 촬영했다. 거품이 터지는 순간에 작은 충격파가 일어나고, 거품 붕괴의 에너지는 산산이 흩어진다.