2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2005 · 문제 13 · 물성·재료

치면 돌, 쥐면 물 — 단단한 녹말

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2005 문제 13 ‘Hard Starch’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2005 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「물질의 특성」(혼합물과 물질의 성질) · 「힘의 작용」(마찰력) / 고등학교 통합과학1 「시스템과 상호작용」(역학적 시스템 — 힘의 상호작용) · 과학탐구실험1(변인 통제와 정량 측정) / 물리학 「힘과 에너지」(힘의 평형·마찰력과 저항) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

점도, 뉴턴 유체, 비뉴턴 유체, 전단 속도, 전단 응력, 전단농화, 전단박화, 현탁액, 부피 분율, 윤활막, 히드로클러스터, 마찰 접촉, 불연속 전단농화, 재밍(막힘) 전이, 팽창(다일러턴시), 항복 응력, 점탄성, 유효 점도

원리 살펴보기

천천히 저으면 술술 흐르는데 주먹으로 내리치면 돌처럼 튕겨 낸다 — 같은 그릇 속 같은 액체가? 옥수수 전분을 물에 되직하게(부피로 물의 두 배 가까이) 섞은 혼합물, 이른바 우블렉의 성질이다. 물이나 꿀 같은 보통 액체(뉴턴 유체)는 아무리 세게 저어도 점도가 일정하지만, 우블렉의 점도는 얼마나 빠르게 다루는지에 따라 달라진다 — 문제 원문이 점도에 따옴표를 친 이유다. 세게 다룰수록 되레 굳어지는 이 성질이 전단농화이고, 케첩·치약처럼 세게 흔들수록 묽어지는 반대 성질이 전단박화다.

비밀은 전분이 물에 녹아 있지 않다는 데 있다. 지름 수~수십 마이크로미터의 알갱이들이 물속에 빽빽이 떠 있는 고농도 현탁액이라, 천천히 저으면 알갱이 사이의 얇은 물 층이 윤활막 노릇을 해 서로 미끄러진다. 빠르게 저으면 물이 비켜날 새가 없어 알갱이들이 떠밀려 뭉치고(히드로클러스터), 더 세게 밀면 윤활막이 뚫려 알갱이끼리 직접 닿는다. 마찰 접촉의 사슬이 그릇 벽까지 이어지는 순간 점도가 수십 배 이상 치솟는 것이 불연속 전단농화(DST)로, 윤활에서 마찰로 갈아타는 이 전환이 현대 이론(와이아트–케이츠)의 핵심이다. 알갱이가 서로 타고 넘으려면 배열이 부풀어야 하는데(팽창, 다일러턴시) 물이 모자라 부풀지 못하고 갇힌다 — 젖은 모래를 밟으면 발 둘레가 하얗게 마르는 것과 같은 이유다. 그래서 이 효과는 충분히 진한 농도에서, 문턱을 넘는 힘에서만 나타난다.

‘치면 굳는 액체’는 곳곳에서 일한다. 보호 장비(전단농화 유체를 적신 케블라 직물은 평소엔 유연하다가 파편의 순간 충격에 굳는다 — 이른바 액체 방탄복 연구), 충격 흡수 소재(충격 순간에만 딱딱해지는 고분자 패드가 스포츠 보호대·헬멧 안감으로 상용화되어 있다), 산업 슬러리 공정(시멘트·세라믹·초콜릿 같은 고농도 현탁액은 너무 빨리 저으면 굳어 배관과 믹서를 망가뜨리므로 공정 속도 설계의 관건이다), 완충·제진 장치(빠른 충격일수록 세게 버티는 전단농화 댐퍼가 연구된다)에 두루 쓰인다.

실험 설계

준비물

옥수수 전분(마트 판매품, 500 g 이상)과 물, 주방 저울과 계량컵, 큰 볼 여러 개와 숟가락·유리 막대, 쇠구슬 또는 큰 너트와 자, 슬로모션(120~240 fps) 촬영이 되는 스마트폰과 삼각대, 저음용 스피커(우퍼)와 신호 발생 앱, 스피커를 덮을 비닐 랩, 비교용 케첩·꿀, (선택) PVA 물풀과 붕사로 만든 슬라임, 젖은 모래.

변인

독립변인은 전분:물 질량비(농도)와 가하는 전단의 빠르기(젓는 속도, 타격·관입 속도)이다. 종속변인은 유효 점도의 지표 — 막대를 일정 깊이까지 밀어 넣는 데 걸리는 시간, 떨어뜨린 구슬의 관입 깊이, 표면을 칠 때 튕겨 내는지 여부다. 통제변인은 전분의 종류(같은 제품), 물의 온도, 그릇의 크기와 반죽 깊이, 구슬의 질량·크기와 낙하 높이, 그리고 반죽 뒤 경과 시간이다(알갱이가 가라앉으므로 측정 직전마다 고르게 저어 준다).

실험 순서

  1. 전분:물 질량비 1:1에서 시작해 전분을 조금씩 더해 여러 농도(예: 1.2:1, 1.5:1, 2:1)를 만들고, 각 그릇에서 손가락과 막대로 아주 천천히, 또 최대한 빠르게 저어 저항을 비교한다 — ‘천천히는 액체, 빠르게는 고체’가 시작되는 농도를 찾는다.

  2. 같은 높이(예: 30 cm)에서 쇠구슬을 떨어뜨려 슬로모션으로 관입 깊이와 멈추기까지의 시간을 재고, 같은 구슬을 표면에 살며시 올려 가라앉는 시간과 대비한다 — 농도마다 3회 이상 반복해 표로 모은다.

  3. 표면을 숟가락 바닥으로 점점 빠르게 두드려 튕겨 내기 시작하는 임계 빠르기를 슬로모션으로 잡고, 빠르게 주물러 뭉친 덩어리가 손을 멈추는 순간 도로 흘러내리는 되돌림도 촬영한다.

  4. 랩을 씌운 우퍼에 우블렉을 붓고 수십 헤르츠 저음을 크게 틀어 표면에 손가락 모양 돌기와 꺼지지 않는 구멍이 서는지 관찰한 뒤, 케첩·꿀·슬라임·젖은 모래에 같은 시험을 반복해 세게 다룰수록 굳는 물질과 묽어지는 물질을 가려낸다.

안전 안내

⚠ 안전

재료가 식품이라 비교적 안전하지만, 전분 가루가 날리면 흡입하지 않도록 창문을 열고 천천히 붓는다. 바닥에 흘린 우블렉은 마르면 미끄러운 가루가 되므로 바로 닦고, 남은 반죽은 하수구에 버리지 말고(관 속에 가라앉아 막힌다) 봉투에 담아 일반 쓰레기로 버린다. 스피커 실험에서는 랩으로 액체가 전자 부품에 닿지 않게 막고 음량을 서서히 올리며, 큰 소리에 귀를 가까이 대지 않는다. 붕사로 슬라임을 만들 때는 입에 대지 않고 끝난 뒤 손을 씻는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

숟가락을 두 배 빠르게 밀면 저항도 두 배가 될까, 그 이상일까? 그리고 물을 한 숟갈만 더 넣으면 ‘치면 굳는’ 성질은 서서히 약해질까, 어느 농도에서 뚝 사라질까?

자료 정리

농도마다 젓는 빠르기(느림·중간·최대)별 저항 등급, 구슬 관입 깊이, 타격 시 튕김 여부를 한 표에 모은다. 그래프는 세 장이다 — 먼저 천천히 미는 경우(젓기·막대 관입)만 모아 가로축을 전단의 빠르기, 세로축을 유효 점도 지표(막대 관입 시간 등)로 잡아 농도별 곡선을 겹쳐 그리고(구슬 낙하·타격 같은 충격 결과는 관입 깊이·튕김 여부만 표로 남기고 점도라 부르지 않는다), 가로축을 전분 질량분율·세로축을 관입 깊이로 잡아 굳음이 시작되는 임계 농도를 찾으며, 같은 축에 케첩·꿀·슬라임의 곡선을 나란히 그려 전단박화·뉴턴·전단농화를 한눈에 대비한다. (수치는 실제 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

묽은 혼합물은 젓는 빠르기와 무관한 저항을 보이고(뉴턴 유체에 가깝다), 임계 농도를 넘긴 혼합물만 빠른 전단에서 저항이 급증하며, 케첩은 반대로 세게 다룰수록 묽어지고, 슬라임은 천천히 당기면 흐르지만 빠르게 당기면 고체처럼 끊어지는 점탄성을 보일 것으로 예상된다. 점도가 물질의 상수가 아니라 다루는 빠르기의 함수가 된다는 것 — 원문이 점도에 따옴표를 친 까닭이 자료에서 그대로 드러나는 지점이다. 나아가 농도–빠르기 평면에 ‘액체처럼/고체처럼’을 표시하면 두 영역을 가르는 경계선이 나타나는데, 그 경계가 곧 윤활이 마찰로 무너지는 재밍 전이의 지도이며, 경계가 농도에 따라 얼마나 가파르게 움직이는지가 이 탐구의 핵심 정량 결과가 된다.

더 탐구하기

  1. 감자 전분·쌀가루·밀가루로 같은 농도 시리즈를 만들어 임계 농도와 굳기의 세기를 비교해 보자 — 밀가루가 잘 되지 않는다면 물과 반죽을 이루는 단백질(글루텐) 때문인지 따져 보고, 스마트폰 매크로 촬영으로 알갱이 크기·모양과 연관 지어 보자.

  2. 큰 대야 규모로 만들어 손바닥으로 빠르게 연타할 때 버티는 깊이를 재고, 사람이 우블렉 수조 위를 달려서 건널 수 있다는 시연이 성립할 조건(발이 머무는 시간과 굳음이 퍼지는 속도)을 어림해 보자.

  3. 스피커의 진동수와 음량을 바꿔 가며 구멍·손가락 구조가 나타나는 조건의 지도를 만들어, 진동 가속도로 정리한 문헌의 상태도와 견주어 보자.

  4. 질량과 크기가 다른 구슬로 관입 실험을 반복해, 충격 순간의 운동량과 멈춤 거리·시간 사이의 규칙을 찾아보자.

연결 주제

2010년 문제 11 ‘모래(Sand)’(중복문제맵 입상체 계열) — 물을 머금은 모래가 마른 모래보다 단단하다가 물이 더 많아지면 도로 물러지는 문제로, 알갱이 틈의 물과 마찰 접촉·팽창(다일러턴시)이라는 같은 물리를 입상체 쪽에서 다루므로, 이 원고의 관입 깊이 측정과 농도–굳기 지도를 그대로 이어 쓸 수 있다.

참고문헌

[학생] D. R. Dounas-Frazer 외, “Learning About Non-Newtonian Fluids in a Student-Driven Classroom,” The Physics Teacher 51(1), 32–34, 2013, DOI 10.1119/1.4772035 (도르래와 추로 우블렉 수조 속 탁구공을 끌며 힘–속도 관계를 재어 옥수수시럽과 대비하는 저비용 수업 실험 — 이 원고 정량 설계의 원형) / 위키백과 ‘팽창성(전단농화)’ / 영상 검색어 “oobleck slow motion”, “cornstarch speaker” / [심화] M. Wyart, M. E. Cates, “Discontinuous shear thickening without inertia in dense non-Brownian suspensions,” Physical Review Letters 112, 098302, 2014, DOI 10.1103/PhysRevLett.112.098302 (윤활막이 마찰 접촉으로 바뀌는 비율 변수로 연속·불연속 전단농화를 통일 설명한 표준 이론) · A. Fall 외, “Shear thickening of cornstarch suspensions as a reentrant jamming transition,” Physical Review Letters 100, 018301, 2008, DOI 10.1103/PhysRevLett.100.018301 (전분 현탁액의 굳음을 팽창이 갇혀 일어나는 재밍 전이로 해석하고 임계 농도를 측정) · S. R. Waitukaitis, H. M. Jaeger, “Impact-activated solidification of dense suspensions via dynamic jamming fronts,” Nature 487, 205–209, 2012, DOI 10.1038/nature11187 (타격 순간 굳음 전선이 퍼지며 충격을 흡수함을 X선·고속 촬영으로 추적 — 우블렉 위를 달릴 수 있는 이유) · F. S. Merkt 외, “Persistent holes in a fluid,” Physical Review Letters 92, 184501, 2004, DOI 10.1103/PhysRevLett.92.184501 (진동판 위 전분 현탁액에 꺼지지 않는 구멍과 손가락 구조가 서는 조건을 보고 — 스피커 실험의 원형). ※ 학교 도구(막대 관입·구슬 낙하)만으로 임계 응력을 정량 판정해 문헌의 유변학 곡선과 잇댄 사례는 드물다(Dounas-Frazer 외는 힘–속도 관계만) — 그 다리 놓기가 이 탐구의 개방 지점이다.

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