비·커피·만년필의 물리학

비·커피·만년필의 물리학

  많은 사람들은 물체의 운동을 다루는 물리학을 추상적이고 어려운 학문으로 여깁니다. 그렇다면 일상 속의 흥미로운 물리학은 없을까요?

#1 비의 물리학 | 빨리 달린다고 비 덜 맞는 건 아니다

우산이 없을 때 비를 만나면 조금이라도 비를 덜 맞기 위해 전속력으로 달리곤 합니다. 그런데 비의 방향과 속도, 심지어 사람의 체형에 따라 비를 덜 맞는 방법이 다르다고 합니다.

무한히 얇은 종이는 비가 내리는 방향과 평행이 되는 기울기로 움직이면 비를 한 방울도 안 맞을 수 있습니다. 하지만 사람처럼 두께가 있다면 어떤 속도로 가던 비를 맞아야만 하죠.

다만 몸이 얇은 마른 사람은 적절히 몸을 굽히고 걷거나 뛰면 비를 덜 맞을 수 있습니다. 그러나 뚱뚱한 사람은 위에서 맞는 양이 많아 무조건 빨리 뛰는게 상책입니다.

한편 옆에서 부는 바람 세기에 따라 비를 덜맞는 적당한 속도가 사라지기도 합니다. 비가 몸 옆쪽에서 들이칠 경우 피할 도리가 없으니 빨리 달릴수록 비를 덜 맞습니다.

#2 커피의 물리학 | 나는 왜 커피를 자주 쏟을까

매장에서 머그잔에 커피를 받아가는 사람들은 보통 7~10걸음 만에 커피를 쏟는다고 합니다. 사람들이 커피를 쏟게 하는 요인은 무엇일까요?

사람들은 일정하게 걷는다고 생각해도 걸음마다 미세한 속도 차이가 납니다. 그 결과 걷는 방향에 따라 앞뒤로 진동하고 컵 안의 커피도 앞뒤로 출렁입니다.

발걸음에 따라 머그컵은 위아래로 진동하는데 실험에 따르면 진폭은 1cm 정도입니다. 그에 따라 컵 안의 커피도 위아래로 출렁거립니다.

머그잔에 신경을 쓰지 않거나 장애물을 피하려면 예측하지 못한 동작이 나옵니다. 이 진동들이 합쳐져 컵 안 커피의 출렁거림이 어느 순간을 넘어서면 커피를 쏟습니다.

즉 걸음으로 인한 진동수에 예측 못한 동작의 높은 진동수가 추가되고 머그잔 속 커피의 고유진동수가 공명을 일으키면 커피가 크게 출렁거려 넘치게 된다는 것입니다.

 

#3 만년필의 물리학 | 펜촉에서 잉크가 술술 나오는 이유

만년필은 꾸준히 사람들에게 인기가 있습니다. 가볍게 펜 끝을 움직이기만 해도 잉크가 알아서 종이에 옮겨져 힘 안 들이고 글씨를 쓸 수 있어 좋지요.

만년필 펜촉은 두 면이 가는 틈으로 거의 맞닿은 모세관이고, 종이는 매끈해 보이지만 셀룰로오즈 섬유로 된 불규칙한 모세관입니다. 만년필로 글씨를 쓰는 건 모세관힘이 작용해 잉크가 펜촉에서 종이로 이동하는 현상입니다.

모세관힘은 액체가 관을 타고 움직이는 현상을 일으키는 힘인데 관이 얇을수록 강해집니다. 모세관 현상은 액체의 표면장력과 관 안쪽 벽과 맞닿은 액체의 각도 때문에 일어나는 현상입니다.

펜촉을 빨리 움직이면 더 얇은 선이 나오는 것도 모세관힘 사이의 동적평형으로 설명할 수 있습니다. 잉크가 이동할 수 있는 시간이 짧아 선이 얇을 수 밖에 없는 것이죠.

참고: 과학동아 2012년 09월호 ‘비·커피·만년필의 물리학’

박혜림 에디터 limpid1234@gmail.com 동아사이언스

케이콘텐츠