찻주전자에서 물방울이 흐르는 이유

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-11-23 22:53:14
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- 엔지니어 마르쿠스 라이너(Markus Reiner), 1956년에 처음 "찻주전자 효과" 설명
- 일상적이고 겉보기에 단순한 효과지만 유체역학 관점에서 정확히 설명하기 어렵다,
- 찻주전자의 부리 아래쪽에 있는 작은 물방울이 엉망진창의 주된 원인

찻주전자가 물방울을 흘리는 이유
과학자들이 처음으로 "찻주전자 효과"를 설명했다.


관찰하기는 쉽고 설명하기는 어렵다.
차 한잔을 너무 조심스럽게 따르면 액체가 주전자 주둥이로 흘러내릴 것이다. 과학자들은 최근 소위 "찻주전자 효과"의 원인이 어디에서 오는 지 처음으로 알아냈다. 부리 아래쪽에 작은 물방울이 중요하다. 이것은 전체 차 흐름을 전환할 수 있다. 

▲ 찻물이 냄비에서 항상 말끗하게 흐르는 것은 아니다. © 비엔나 공과 대학

누가 그것을 모를까?
차를 잔에 따르려고 할 때, 음료는 종종 주전자의 목을 따라 흘러 식탁보에 떨어진다.
이를 방지하기 위해 더 많이 기울여 차를 따르는 것이 도움이 된다. 처음에는 사소하게 들리는 것이 수십 년 동안 과학자들을 당황하게 했다. 엔지니어 마르쿠스 라이너(Markus Reiner)는 1956년에 처음으로 "찻주전자 효과"를 설명했지만, 물리적으로 명확하게 설명할 수는 없었다.

작은 방울, 큰 효과

비엔나 공대(TU Vienna)의 베른하르트 샤이슬(Bernhard Scheichl)은 "매우 일상적이고 겉보기에 단순한 효과이지만 유체 역학의 관점에서 정확히 설명하기는 매우 어렵다“고 설명했다. Schleichl이 이끄는 팀은 처음으로 연구에서 이 현상을 수학적으로 완전히 설명했다. 복잡한 유체 역학 분석과 실험을 통해 궁극적으로 범인(?)을 찾을 수 있었다.

결과에 따르면 찻주전자의 부리 아래쪽에 있는 작은 물방울이 엉망진창의 주된 원인이다.
이것은 차의 흐름을 억제하고 컵 대신 주전자의 벽을 따라 흐르도록 안내한다. Schleichl은 "우리는 이제 이러한 물방울이 형성되는 이유와 가장자리의 아래쪽이 항상 젖어 있는 이유에 대한 완전한 이론적 설명을 제공하는 데 처음으로 성공했다"고 말했다.

속도와 주둥이 형태가 결정적

연구에 따르면 방해받는 물방울의 크기는 소위 베버(Weber) 수에 따라 결정적으로 달라진다.
그것은 액체의 관성과 표면력 사이의 관계를 설명하며, 흐르는 차가 속도의 제곱에 종속된다. 찻잔에 차를 너무 천천히 따르면 표면 장력이 우세하여 흐름이 부리 가장자리를 따라 편향된다. 그런 다음 차가 테이블에 떨어진다.

Schleichl과 그의 동료들에 따르면, 차의 유속은 냄비의 기울기에만 의존하지 않는다.
도자기 표면의 모세관력이 액체를 결정적으로 감속시킨다. 또한 부리의 절단 가장자리에서 각도가 작을수록 액체의 흐름이 표면에 달라붙을 가능성이 높아진다.

달에서도 같은 현상

흥미롭게도 중력은 이 효과에서 작은 역할만 한다. 부리 가장자리에 물방울이 형성되는 방향을 결정한다. 중력이 얼마나 강한지는 큰 차이가 없다. 따라서 우리가 달에서 차 한잔을 부으면 찻주전자 효과가 비슷한 방식으로 관찰된다.
그러나 중력이 없다면(예를 들어 우주 정거장의 경우와 같이) 물방울이 형성되지 않으며 안전하게 컵을 따를 수 있다.
(Journal of Fluid Mechanics, 2021; doi: 10.1017 / jfm.2021.612)
출처: Technische Universität Wien

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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