위키독:치리오스 효과

치리오스 효과

Cheerios Effect

시리얼은 왜 뭉치는가?

개요

바쁜 아침시간에 간단히 시리얼 한그릇으로 때우는 때가 있다. 이때 시리얼을 자세히(?) 본다면 가운데, 혹은 그릇의 가장자리에 서로 뭉쳐 있는 것을 볼 수 있는데, 이 현상은 치리오스 효과라고 알려져 있다. 1941년에 개발되어 아직까지 팔리고 있는 초장수 시리얼 Cheerios에서 따온 효과이며 비단 시리얼뿐만 아니라 어떤 물체든 물 위에 떠서 한데 뭉쳐있는 현상을 설명하는데 사용하곤 한다.

이 현상을 명명하고 설명한 사람은 Dominic Vella와 L. Mahadevan로 사실 과학자들 사이에서는 이미 규명된 현상이었지만 물리학을 전공하지 않은 사람들에게는 잘 알려지지 않았었다. 이들의 의도야 어쨌든 두 사람은 2005년 9월 15일자로 미국 물리학 저널에 '치리오스 효과'라는 제목의 논문으로 (서양권) 사람들에게 친숙한 이름을 붙여 이 현상을 대중에게 널리(?) 알렸다.

해당 논문은이곳에서 볼 수 있다.

엄청나게 오랫동안 팔린 진정한 스테디 셀러, Cheerios. 수십종류의 다른 맛이 있으며 현재는 90년대 초딩들의 친구, 네스퀵으로 유명한 Nestle사에서 팔고 있다.

원인

치리오스 효과는 크게 물의 부력과 표면장력, 메니스커스의 3가지 원인으로 나타난다. 이 중 메니스커스는 모세관 현상이라는 것 때문에 발생한다.

부력

부력

Buoyancy

부력이란 말그대로 물체를 액체 속에 넣으면 물체를 중력에 대항해 위로 밀어올리려는 힘이다. 일반적인 물을 생각해보면 깊이가 깊어질수록 위에 얹혀져 있는 물의 양이 많아져서 압력이 커지게 되는데, 이에 따라 물의 밑은 물의 윗부분보다 압력이 높다. 이렇게 되면 당연히 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 알짜힘이 발생하는데 이 힘이 바로 부력으로 나타나게 된다. 이는 비단 액체 뿐만 아니라 기체에서도 작용하는데 풍선이나 애드벌룬이 가장 좋은 예가 된다. 보통의 경우에는 액체보다 밀도가 낮은 물체는 뜨게 되고 높은 물체는 가라앉게 되나 뒤이어 나올 표면 장력이라는 존재로 인해 물보다 밀도가 높은 물체도 물위에 뜨는 것이 가능해진다. 치리오스를 비롯한 시리얼이 그 대표적인 예이다.

표면장력

표면장력

Surface tension

표면장력은 말그대로 물의 표면에서 작용하는 힘으로 액체가 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 경향때문에 발생한다.

물의 경우, 물 속에서는 모든 방향의 물 분자가 같은 힘으로 서로를 끌어당기지만 표면에서는 위쪽에 물분자가 없기때문에 힘의 불균형이 발생한다. 이때문에 잡아당길 이웃이 없는 표면에서는 바로 옆에 있는 물분자와의 결합을 강화하게 되는데 이것이 표면적을 최소화하는 원인이 되며 면적을 최소화하다보니 자연스레 원모양이 될 수 밖에 없는 것이다. 이 표면장력의 존재로 인해 소금쟁이가 물에 뜨며, 수도꼭지에서 물이 방울져서 맺히며 떨어지게 되는 것이다. 또한 물분자들이 서로 응축해 있기 때문에 시리얼과 같이 물보다 밀도가 높은 물체도 물 위에 뜰 수 있게 된다.

메니스커스

메니스커스

Meniscus (liquid)1

모세관 속에 있는 액체의 표면이 표면장력으로 인해 곡선을 이루며 휘어져 있는 현상을 말한다. 물의 경우에는 그림의 A처럼 가운데가 파여져 있는 모양의 메니스커스를 이루며 수은과 같은 물질은 B와 같이 가운데가 볼록한 모양을 이룬다. 시리얼과 같이 작은 물체가 우유 속에 떠있을때도 이러한 현상이 발생하게 된다.

사실 시리얼을 이렇게 자세하게 보는 사람은 거의 없겠지만 아무튼 시리얼을 확대하여 자세히 들여다보면 액체의 표면이 시리얼을 따라 위로 솟아 있는 것을 볼 수 있다. 이것이 바로 메니스커스, 혹은 메니스커스 효과라고 부르는 것이다.

종합

그리하여 우유가 가득 담긴 그릇에 시리얼을 부어놓으면 시리얼은 일단 부력과 표면장력으로 인해 (밀도가 우유보다 높음에도 불구하고) 뜨게 되며 메니스커스 효과로 인해 시리얼 표면을 따라 우유의 표면이 휘어지게 된다.

물체가 친수성이라면 물체는 물표면에 움푹 들어간 곳을 만든다. 이는 시리얼도 마찬가지라서 시리얼이 친우유성(?) 이기때문에 우유가 가득찬 그릇에 시리얼을 부어 놓으면 우유 표면에 움푹들어가는 곳이 생기게 되고 이로 인해 가까이에 있는 시리얼들은 서로 달라붙는 것 처럼 보이게 된다. 물론 그릇의 가장자리에 있는 시리얼들 또한 같은 방식으로 그릇의 가장 자리를 향해 달라붙게 된다.

그리하여 시리얼은 거의 항상 가운데에 뭉쳐 있거나 가장자리에 붙어있게 되는 것이다. 사실 이러한 현상보다 이걸 관찰해서 논문까지 쓴 사람들의 존재가 더 무섭긴 하다. 해당 위키에는 나와있지 않지만 해당 논문을 보면 각종 수학공식으로 인해 보는 이의 마음을 아프게 한다!

참고영상 - 한국어 자막은 없으며 대신 영어 자막이 있다.