2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2004 · 문제 10 · 유체역학, 열·상전이

한쪽만 흔들리는 불꽃 — 두 굴뚝

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2004 문제 10 ‘Two Chimneys’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2004 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「열과 우리 생활」(전도·대류·복사와 열의 이동) / 고등학교 통합과학1 「시스템과 상호작용」(역학적 시스템, 에너지의 전환과 흐름) / 진로선택 「역학과 에너지」(열과 에너지·열역학) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

자연 대류, 부력, 밀도 차, 굴뚝 효과(연돌 효과), 열의 이동(대류), 확산 화염, 부력 플룸, 대칭 깨짐, 갈래질(분기), 유동 역류, 다중 정상 상태, 화염 깜빡임(플리커), 켈빈-헬름홀츠 불안정, 산소 결핍·불완전 연소, 압력 차

원리 살펴보기

두 굴뚝은 똑같이 생겼고 촛불도 똑같은데, 왜 한쪽 불꽃만 잠시 뒤 흔들리기 시작할까? 촛불은 둘레의 공기를 데워 가볍게 만든다. 데워진 공기는 굴뚝을 타고 위로 올라가고(굴뚝 효과), 그 자리를 채우려고 상자 안으로 새 공기가 빨려 든다. 두 굴뚝은 한 상자의 공기를 나눠 쓰므로, 결국 같은 공기를 두고 서로 경쟁하는 셈이다.

두 굴뚝이 똑같이 공기를 끌어올리는 대칭 상태는 사실 불안정하다. 한쪽 굴뚝의 상승 기류가 우연히 조금 세지면 그 굴뚝이 공기를 더 많이 빨아들이고, 밀려난 다른 굴뚝은 유입이 부족해지거나 심하면 바깥 공기가 거꾸로 내려오는 역류가 생긴다. 그러면 신선한 공기와 산소가 모자란 쪽 촛불이 깜빡이며 불안정해진다. 상자가 거의 닫혀 있어 산소가 서서히 줄고 연소 가스가 쌓이는 것도 약한 쪽 불꽃을 먼저 흔든다. 두 상태 가운데 하나로 갈라지는 이 대칭 깨짐이 한쪽 불꽃만 불안정해지는 유력한 원인으로 보인다.

이처럼 데워진 공기가 스스로 만드는 흐름과 그 경쟁은 여러 곳에서 나타난다. 건물 자연 환기는 여러 통풍구와 굴뚝의 부력 차로 공기를 갈아 대되, 바람·온도에 따라 한 통풍구가 급기에서 배기로 뒤집히기도 한다. 굴뚝·보일러 통풍은 이 상승 기류(연돌 효과)로 연소 가스를 끌어올리며, 역류가 나면 그을음과 일산화탄소가 실내로 새어 위험하다. 터널·지하 환기는 여러 수직 통풍구 사이 기류 경쟁을 조절해 매연을 내보낸다. 화재 시 연기 거동은 계단·승강기 통로가 굴뚝처럼 작동해 연기가 위층으로 퍼지는 길을 좌우한다.

실험 설계

준비물

한 면이 투명한 상자(아크릴 상자 등), 굴뚝으로 쓸 같은 굵기·길이의 관 2개(종이관·아크릴관), 초 2개, 흐름을 눈에 보이게 할 향(향 연기), 점화용 라이터, 굴뚝 높이·간격을 조절할 받침, 스마트폰(촬영), 필요하면 온도계.

변인

독립변인은 두 굴뚝 사이의 간격(또는 굴뚝의 높이)이다. 종속변인은 한쪽 불꽃이 불안정해지는지 여부와 그때까지 걸리는 시간, 그리고 각 굴뚝에서의 공기 흐름 방향(상승·역류)이다. 통제변인은 두 굴뚝의 굵기·길이, 두 초의 크기와 심지, 상자의 크기와 틈새(공기 유입 조건), 실내 공기의 온도와 바람이다.

실험 순서

  1. 한 면이 투명한 상자 위에 같은 굴뚝 두 개를 같은 간격으로 세우고, 각 굴뚝 바로 아래에 같은 초를 놓는다. 투명한 면이 관찰자를 향하게 둔다.

  2. 두 초에 되도록 동시에 불을 붙이고, 투명한 면으로 두 불꽃을 고속 촬영하며 어느 쪽이 먼저 불안정해지는지와 그때까지 걸린 시간을 기록한다.

  3. 굴뚝 위나 상자 틈에 향 연기를 살짝 흘려, 각 굴뚝에서 공기가 올라가는지 내려오는지(상승·역류) 흐름 방향을 눈으로 확인한다.

  4. 두 굴뚝 사이 간격(또는 굴뚝 높이)을 단계적으로 바꾸며 같은 관찰을 되풀이하고, 조건마다 여러 번 반복해 불안정 발생 여부와 시점을 비교한다. 이때 두 초와 굴뚝의 좌우를 맞바꾸고 점화 순서도 바꿔, 불안정해지는 쪽이 장치의 미세한 차이를 따라가는지 확인한다.

  5. 상자의 틈새(공기 유입구)를 넓히거나 좁혀, 환기·산소 조건이 불안정 발생에 어떻게 작용하는지 살펴본다.

안전 안내

⚠ 안전

불을 다루므로 화상과 화재에 주의한다. 초·향 둘레에 종이·머리카락·옷소매처럼 탈 것을 두지 않고, 젖은 수건이나 소화 도구를 곁에 준비한다. 밀폐된 상자 안에서 초가 타면 산소가 줄고 이산화탄소·일산화탄소 같은 연소 가스가 쌓이므로, 환기가 잘 되는 곳에서 한 회 연소를 5분 이내로 짧게 끊고, 끝나면 곧바로 상자를 열어 환기하되 얼굴을 개구부 바로 위에 두지 않는다. 오래 켜 둔 관과 상자는 뜨거워지고, 종이·아크릴 관은 불꽃에 가까우면 변형·발화할 수 있으니 초와 관 사이 간격을 충분히 둔다. 실험은 반드시 교사·보호자와 함께 한다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

두 굴뚝이 똑같이 생겼는데도 왜 한쪽 불꽃만 먼저 불안정해질까? 두 굴뚝 사이 간격을 넓히면 불안정은 더 잘 생길까, 아니면 사라질까?

자료 정리

굴뚝 간격(또는 높이)을 가로축에 두고, 각 조건에서 불안정이 나타났는지(예·아니오)와 불을 붙인 뒤 불안정까지 걸린 시간을 정리한다. 각 굴뚝의 흐름 방향(상승·역류)은 향 연기 영상에서 읽어 조건별로 표시하고, 대칭(양쪽 상승)에서 비대칭(한쪽 역류)으로 넘어가는 경계 간격이 있는지 살핀다. 같은 조건을 여러 번 되풀이해 어느 굴뚝이 이기는지가 무작위인지도 함께 본다. 수치는 실제 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 정리 방향만 제시한다.

결과의 의미

굴뚝이 충분히 가깝고 상자가 거의 닫혀 있을수록, 두 굴뚝이 공기를 두고 세게 경쟁해 한쪽이 역류로 뒤집히고 그쪽 불꽃이 먼저 불안정해질 것으로 예상된다. 간격을 넓히거나 틈새를 키워 공기 유입을 늘리면 경쟁이 약해져 두 불꽃이 함께 안정해질 수 있다. 이는 한쪽 불꽃의 불안정이 촛불 자체의 결함이 아니라, 두 굴뚝이 공유하는 대류가 대칭을 깨며 갈라진 결과임을 보여 준다. 어느 굴뚝이 이길지는 작은 차이가 증폭된 결과라 미리 정하기 어렵고, 반복하면 이긴 쪽이 무작위로 바뀔 수 있다는 점도 대칭 깨짐의 특징이다. 다만 실제로는 산소 결핍·연소 가스 축적, 두 초의 미세한 차이, 방 안 공기의 흔들림이 함께 작용하므로, 순수한 대류 경쟁만으로 설명되는지 확인하는 것이 이 탐구의 핵심이다.

더 탐구하기

  1. 굴뚝의 높이를 바꿔 가며(굴뚝 효과의 세기 변화), 높은 굴뚝 쪽이 경쟁에서 이기는지 확인해 보자.

  2. 한쪽 초를 조금 더 크게 하거나 심지를 굵게 해 일부러 비대칭을 주면, 이긴 쪽이 정해지는지 살펴보자.

  3. 향 연기나 얇은 실오라기로 각 굴뚝의 흐름 방향과 세기를 시각화해, 역류가 실제로 생기는 순간을 포착해 보자.

  4. 굴뚝을 셋 이상으로 늘려, 어느 하나만 배기가 되고 나머지는 급기로 갈라지는지 관찰해 보자.

연결 주제

IYPT 2020 문제 12 ‘다각형 소용돌이’와 이어진다 — 그쪽은 회전하는 물의 자유표면이 대칭을 깨는 문제이고, 이쪽은 두 굴뚝이 대류로 빨아들이는 공기를 두고 경쟁하다 대칭을 깨는 문제로, 겉모습은 달라도 ‘대칭이 스스로 무너지는 갈래질(분기)’이라는 뼈대를 공유한다. 촛불의 대류를 다루는 IYPT 1999 문제 13 ‘촛불의 기체 흐름’, 두 불꽃의 깜빡임이 맞물리는 IYPT 2021 문제 5 ‘동기화된 촛불’과도 닿되, 그쪽은 한 불꽃의 상승류나 깜빡임 동기화를, 이쪽은 굴뚝을 통한 대류 흡입의 경쟁을 다룬다는 점이 다르다.

참고문헌

[학생] Flinn Scientific·Preproom의 ‘대류/환기 상자(convection ventilation box)’ 실험 해설 — 한 촛불이 한 굴뚝으로 공기를 올리고 다른 굴뚝으로 연기를 내리는 순환을 보여 준다 / 검색어 “stack effect”, “convection ventilation box”, “flickering candle flame” / [심화] P. Cooper, P. F. Linden, “Natural ventilation of an enclosure containing two buoyancy sources,” Journal of Fluid Mechanics 311, 153–176, 1996, doi:10.1017/S0022112096002546 (환기 상자 속 두 열원 — 이 문제의 ‘두 촛불’에 가장 가깝다) · Y. Li, A. Delsante 외, “Some examples of solution multiplicity in natural ventilation,” Building and Environment 36(7), 851–858, 2001, doi:10.1016/S0360-1323(01)00011-7 (자연 환기의 다중 정상 상태·한 통풍구의 역류) · G. Desrayaud, G. Lauriat, “Unsteady confined buoyant plumes,” Journal of Fluid Mechanics 252, 617–646, 1993, doi:10.1017/S002211209300391X (갇힌 부력 플룸이 갈래질로 대칭을 깨는 과정). ※ 두 열원 환기와 플룸 대칭 깨짐은 확립돼 있으나, ‘투명 상자 위 두 굴뚝·두 촛불’에서 어느 굴뚝이 이기는지, 대류 경쟁·산소 결핍·화염 깜빡임 중 무엇이 먼저 불안정을 일으키는지는 이 탐구의 개방 지점이다.

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