주변에서 쉽게 볼 수 있는 현상으로 중력을 설명하려다 보니 떨어지는 수돗물 줄기가 생각났다.

수도꼭지에서 나온 물은 떨어지면서 점점 가늘어 지다가 어느 한계를 넘어서면 이어져 있던 물줄기가 분리되면서 물방울로 변하게 된다.

 

왜 이런 현상이 일어나는 걸까?

중력으로 설명하면 간단하다. 중력때문에 떨어지는 물체는 시간이 지날수록 점점 속력이 빨라지게 된다.

따라서 두물체를 떨어뜨릴 때 약간의 시간차를 가지고 떨어뜨리면 어느순간에 측정한 첫번째 물체의 속력은 두번째 물체의 속력보다 항상 빠르다. (v=g*t)

그래서 시간이 지날수록 첫번째 물체와 두번째 물체사이의 거리는 점점 더 벌어지게 된다. (s=1/2g*t^2)

<그림설명> 같은 1초 차이라 두 물체 사이의 거리는 시간이 지날수록 더 멀어진다.

수돗물에서 위아래로 붙어있던 물방울도 시간이 지나면서 점점 더 두 물방울 사이의 거리가 멀어지게 되므로 물줄기는 점점 가늘어지고 어느 한계에 다다르면 결국 두 물방울이 분리 되는 것이다. 분리된 후에도 높이가 충분히 높다면 물방울 사이의 거리가 점점 벌어지는 것을 관찰할 수 있다.

(물줄기가 가늘어지는 현상의 실제 물리적 과정은 물의 표면장력과 베르누이 원리때문에 훨씬 더 복잡하다. 중학교 수준에서 표면장력과 압력은 무시하고 오직 중력으로만 설명해 보았다.)

갤럭시S9 슈퍼슬로우모션(1초에 960프레임 촬영) 기능을 이용하여 떨어지는 물방울을 초고속 촬영해 보았다.

가늘게 틀어놓은 수돗물 줄기 아랫부분이 맨 눈으로 볼때는 잔상효과 때문에 이어져 있는 것 처럼 보이지만 초고속 촬영을 해보니 물방울로 떨어져 있는 것을 확인할 수 있었다.

조금 높은 샤워기에서 떨어지는 물방울을 관찰해 보니 거리 차이가 확실하게 보여진다.

덤으로 물방울이 바닥에 충돌하고 산산히 부서져 튕겨나가는 모습도 초고속으로 촬영했다.

아래는 예전에 강천보에서 촬영했던 물줄기를 이용한 예술 작품입니다.
물줄기의 시간차를 이용해 글차를 만드는데 중력때문에 떨어지는 글자가 아래로 내려올수록 점점 길어지는 걸 볼 수 있습니다.

 

 

 

Posted by 민서아빠(과학사랑)