비뉴턴 유체란? (우블렉, 케첩 원리 총정리)
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안녕하세요! 과학 시간에 옥수수 전분과 물을 섞은 '우블렉(Oobleck)' 위를 사람들이 마구 뛰어다니는 영상을 보신 적 있으신가요? 🏃♂️ 분명 액체인데 발로 구르면 단단해져서 빠지지 않는 모습, 정말 신기하죠.
이런 신기한 물질을 바로 **비뉴턴 유체(Non-Newtonian Fluid)**라고 부릅니다. "유체"라고 하면 보통 물이나 기름처럼 흐르는 액체를 떠올리는데, 비뉴턴 유체는 우리가 알던 액체와는 조금 다른, 아주 특별한 성질을 가지고 있어요.
오늘은 알면 알수록 재미있는 비뉴턴 유체의 정체가 무엇인지, 그리고 우리 일상 속 어디에 숨어있는지 쉽고 재미있게 파헤쳐 보겠습니다! 😊
비뉴턴 유체(Non-Newtonian Fluid)란? 🤔
이름이 조금 어렵죠? '비(Non)-뉴턴'이라는 이름은 말 그대로 '뉴턴의 법칙을 따르지 않는 유체'라는 뜻입니다.
여기서 말하는 '뉴턴의 법칙'은 점성(viscosity)에 관한 것인데요, 쉽게 말해 **'끈적끈적한 정도'**를 의미합니다.
- 💧 뉴턴 유체 (Newtonian Fluid): 물이나 공기, 기름처럼 힘을 가하는 속도(젓는 속도)와 상관없이 점성이 **일정한** 유체입니다. 물을 천천히 젓든, 세게 젓든 물의 끈적임 자체는 변하지 않죠.
- 👽 비뉴턴 유체 (Non-Newtonian Fluid): 반대로, 가해지는 힘(전문용어로 '전단 응력')에 따라 점성이 **변하는** 유체입니다. 즉, 외부에서 힘을 주면 갑자기 더 끈적해지거나(단단해지거나) 반대로 더 묽어지는 유체를 말해요.
조금 어려운 말이지만, 쉽게 말해 '유체를 변형시키려는 힘'이라고 생각하시면 됩니다. 컵에 담긴 물을 숟가락으로 휘젓는 것, 케첩 통을 세게 누르는 것, 옥수수 전분 반죽을 주먹으로 치는 것 모두 '전단 응력'을 가하는 행동이에요!
종류 1: 힘을 줄수록 단단해진다! (전단농화) 🏃♂️
비뉴턴 유체의 가장 신기한 종류죠. 바로 **전단농화(Shear Thickening) 유체** 또는 팽창성 유체(Dilatant Fluid)라고 불리는 것들입니다.
이 유체는 강한 힘이나 충격을 받으면 그 순간 점성이 급격히 높아져 마치 고체처럼 단단해지는 특징이 있습니다.
**원리:** 평소에는 유체 속 입자들이 느슨하게 퍼져있지만, 갑작스러운 충격을 받으면 이 입자들이 서로 엉키거나 뭉쳐져 물의 흐름을 방해하면서 순간적으로 딱딱해지는 것입니다.
🌽 집에서 '우블렉' 만들어보기!
이 성질을 가장 잘 보여주는 예시가 바로 '우블렉(Oobleck)'입니다.
1) **준비물:** 옥수수 전분과 물 (약 2:1 비율)
2) **실험:**
- 손가락을 천천히 넣으면 쑥 들어갑니다. (약한 힘 → 액체)
- 주먹으로 빠르게 내려치면 손이 튕겨 나옵니다. (강한 힘 → 고체)
→ 이것이 바로 전단농화 유체입니다!
종류 2: 힘을 줄수록 묽어진다! (전단담화) 🍅
반대되는 성질을 가진 유체도 있습니다. 바로 **전단담화(Shear Thinning) 유체** 또는 의사소성 유체(Pseudoplastic Fluid)입니다.
이 유체는 강한 힘을 주거나 빠르게 저을수록 점성이 낮아져 묽게 변하는 특징이 있습니다.
**원리:** 평소에는 내부의 고분자 입자들이 실타래처럼 엉켜있어 점성이 높지만, 강한 힘이 가해지면 이 입자들이 힘의 방향대로 정렬되면서 저항이 줄어들어 묽게 변하는 것입니다.
📝 대표 예시: 케첩 (Ketchup)
케첩이 바로 대표적인 전단담화 유체입니다.
1) 케첩 통을 가만히 거꾸로 들면 잘 나오지 않습니다. (약한 힘 → 점성 높음)
2) 하지만 통을 세게 흔들거나 손바닥으로 바닥을 치면 묽어지면서 잘 나옵니다. (강한 힘 → 점성 낮아짐)
→ 이것이 바로 전단담화 현상 때문입니다!
우리 주변의 비뉴턴 유체 예시 📚
사실 비뉴턴 유체는 우리 생각보다 훨씬 더 가까이에 있습니다.
| 종류 | 특징 | 예시 |
|---|---|---|
| 전단농화 유체 (힘 = 단단) |
강한 충격을 받으면 순간적으로 점성이 높아집니다. | 우블렉(옥수수 전분+물), 퀵샌드(유사 늪), 일부 방탄 소재 |
| 전단담화 유체 (힘 = 묽음) |
힘을 가하거나 저을수록 점성이 낮아집니다. | 케첩, 마요네즈, 페인트, 치약, 혈액, 꿀, 슬라임 |
영화에서처럼 퀵샌드도 전단농화 유체의 특성을 보입니다. 빠져나오려고 급하게 허우적거리면(강한 힘) 몸이 더 굳어버릴 수 있어요. 퀵샌드에 빠졌을 때는 오히려 몸의 힘을 빼고 천천히, 부드럽게 움직여야 점성이 낮아져 빠져나오기 쉽다고 합니다.
비뉴턴 유체 핵심 요약
자주 묻는 질문 ❓
오늘은 신기한 비뉴턴 유체의 세계에 대해 알아봤습니다. 딱딱한 고체와 흐르는 액체의 경계를 넘나드는 모습이 정말 흥미롭지 않나요?
주말에 아이와 함께 옥수수 전분으로 간단하게 우블렉(Oobleck)을 만들어보며 과학의 신비를 직접 체험해 보시는 건 어떨까요? 더 궁금한 점이 있다면 댓글로 남겨주세요! 😊
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