2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2021 · 문제 14 · 유체역학

움직이면 물을 밀어낸다 — 동적 발수성

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2021 문제 14 ‘Dynamic hydrophobicity’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2021 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「힘과 운동」·「여러 가지 힘」(운동·속력·마찰과 관련된 힘) / 고등학교 통합과학1 「시스템과 상호작용」(역학적 시스템, 힘·운동량·충격량), 과학탐구실험1 / 물리학 「힘과 에너지」(운동량 보존과 충돌) / 진로선택 「역학과 에너지」 (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

동적 발수성(dynamic hydrophobicity), 발수성·소수성, 젖음(wetting)과 접촉각, 표면장력, 공기 유입(air entrainment)과 공기 윤활막, 반사(rebound)·부착(deposition)·분열, 접선 속력, 법선 속력, 웨버 수, 레이놀즈 수, 운동량과 충격량, 에어로다이내믹 라이덴프로스트 효과, 임계 속력

원리 살펴보기

빠르게 움직이는 표면은 왜 물방울을 튕겨 내고, 멈춘 표면은 왜 달라붙게 둘까? 움직이는 표면은 옆의 공기를 컨베이어 벨트처럼 끌고 간다. 이렇게 끌려온 얇은 공기층이 떨어지는 물방울과 고체 사이로 파고들어, 물이 고체에 실제로 닿을 틈을 주지 않는다. 닿는 곳이 없으니 물은 젖지도 달라붙지도 못하고 튕겨 나간다.

놀라운 점은 이 표면이 특별한 코팅을 한 발수 표면이 아니라, 물을 잘 적시는 보통의 유리나 금속이어도 된다는 것이다. 발수성이 표면의 화학이 아니라 표면의 ‘움직임’에서 생겨나기 때문에 이를 동적 발수성이라 부른다. 표면 속력이 임계값보다 느리면 공기막이 너무 얇아 무너지고, 물방울은 표면에 닿아 퍼지며 달라붙는다(부착). 그 속력을 넘어서면 공기막이 버텨 물방울은 반사된다. 게다가 반사는 곧게 튀지 않고, 표면이 가는 방향으로 옆 속도를 얻어 비스듬히 튕겨 나간다.

이 현상은 뜨거운 팬 위의 물방울이 제 증기 위에 떠서 미끄러지는 라이덴프로스트 효과의 ‘공기판’ 사촌이다. 같은 원리가 고속열차·항공기의 방빙과 빗물 제거(표면이 빠르면 물방울이 붙지 못한다), 인쇄기·롤투롤 코팅·잉크젯(빠르게 지나가는 기재에 잉크·도료가 붙느냐 튀느냐를 좌우한다), 농약·살수의 잎 표면 부착(너무 빠르면 튕겨 나가 낭비된다), 금속 열처리의 냉각 분무에 두루 얽혀 있다.

실험 설계

준비물

스탠드에 단단히 고정한 변속 모터와 전용 허브로 체결한, 균열 없는 매끈한 원판(아크릴판·CD), 원판을 두르는 투명 차폐 상자(윗면에 물방울 구멍) — 반사에 필요한 접선 속력은 액체에 따라 크게 다르다. 점성이 있는 실리콘 오일은 몇 m/s에서도 공기막이 버티지만(참고 자료 Lhuissier), 점성이 낮은 물에는 더 빠른 속력이 필요할 수 있다(Almohammadi는 표면 속력 0 ~ 17 m/s를 지도화). LP 턴테이블(약 0.2 m/s)로는 어느 액체도 부족하다. 일정한 물방울을 떨어뜨릴 주사기·뷰렛(또는 의료용 수액 세트), 스마트폰(고속·슬로모 240 fps 촬영), 반지름 눈금과 회전수 측정 수단, 물(식용색소 약간), 수건.

변인

독립변인은 물방울이 닿는 지점에서의 표면 접선 속력 U이다(원판 반지름 r과 초당 회전수 f(회전/초)로 U = 2πr·f로 구한다 — 분당 회전수 rpm이면 60으로 나눈다). 종속변인은 물방울의 거동(반사=튕김 / 부착=퍼져 달라붙음 / 분열)과, 반사가 처음 나타나는 임계 접선 속력이다. 통제변인은 물방울 크기와 낙하 높이(법선 속력), 액체 종류, 원판 재질·매끄러움, 충돌 지점의 반지름, 온도이다.

실험 순서

  1. 매끈한 원판을 변속 모터에 수평으로 고정하고, 반지름 r 지점 바로 위에 드리퍼를 두어 같은 크기의 물방울이 일정한 높이에서(=일정한 법선 속력) 떨어지게 맞춘다. 드리퍼 끝은 표면에서 5 mm 안팎까지 낮추고(낙하 높이가 크면 필요한 표면 속력이 가파르게 오른다), 스마트폰은 차폐 밖, 원판이 도는 평면을 비켜선 자리에 거치해 슬로모로 겨눈다.

  2. 원판을 세운 채(U = 0) 물방울을 떨어뜨려 거동을 기록한다 — 물방울이 퍼져 달라붙는 이 부착 상태가 기준값이다.

  3. 회전수를 단계적으로 올리며 각 단계의 표면 접선 속력 U = 2πr·f(f는 회전/초)를 계산하고, 조건마다 여러 방울을 떨어뜨려 부착·부분 반사·완전 반사 중 무엇인지 촬영해 기록한다.

  4. 영상에서 방울이 처음 반사되는 임계 접선 속력을 읽고, U가 커질수록 반사 방향(비스듬한 각도)이 어떻게 달라지는지 본다. 낙하 높이(법선 속력)를 바꿔 임계 속력이 어디로 옮겨 가는지도 확인한다.

안전 안내

⚠ 안전

회전하는 원판과 모터에 주의한다. 원판은 반드시 투명 차폐 안에서만 돌리고, 원판 교체·드리퍼 조정은 완전히 멈춘 뒤에 한다. 머리카락·옷소매·손가락이 말려들지 않도록 원판을 전용 허브로 단단히 고정하고, 몸과 카메라는 원판이 도는 평면에서 비켜선다. 매 시행 전 원판의 균열과 체결 상태를 확인한다. 사방으로 튀는 물방울에 대비해 보안경을 쓰고, 모터·전선 같은 전기 부품에 물이 닿지 않게 한다(가급적 저전압 모터를 쓰고 물기와 분리한다). 빠르게 도는 원판 가장자리에는 손을 대지 않는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

표면이 더 빠르게 움직일수록 물방울은 더 잘 튕겨 나갈까, 아니면 더 잘 달라붙을까? 튕기기 시작하는 ‘경계 속력’이 있을까?

자료 정리

표면 접선 속력 U마다 관찰된 거동(부착 / 부분 반사 / 완전 반사)을 표로 정리한 뒤, 가로축을 U로 놓아 거동이 바뀌는 경계(임계 속력)를 표시한다. 심화로는 가로축을 접선 속력, 세로축을 법선 속력(또는 각 방향의 웨버 수)으로 하는 2차원 ‘거동 지도’를 그려 부착 영역과 반사 영역을 가르는 경계선을 찾는다. 수치는 장치마다 다르므로 여기서는 표·그래프의 축과 개형만 정한다.

결과의 의미

어느 임계 속력을 넘어서면 물방울이 갑자기 튕겨 나갈 것으로 예상된다. 이는 발수성이 표면의 화학이 아니라 표면의 ‘움직임’만으로도 만들어질 수 있음을 보여준다. 그 밀어냄의 원인은 코팅이 아니라 표면이 끌고 온 얇은 공기막이다. 임계 속력이 낙하 높이(법선 속력)·물방울 크기에 따라 옮겨 간다면, 반사는 접선·법선 두 방향의 운동이 겨루는 문제라는 뜻이다. 다만 공기막 자체는 학교 장비로 직접 보기 어려워, 그 존재를 거동 변화로 간접 확인하는 것이 이 탐구의 한계다.

더 탐구하기

  1. 물 대신 실리콘 오일·비눗물처럼 표면장력이 낮거나 점성이 있는 액체로 바꿔, 튕기기 시작하는 임계 속력이 얼마나 내려가는지 비교해 보자(모터 곁에 인화성 액체는 쓰지 않는다).

  2. 유리(잘 젖음)와 파라필름·왁스칠 면(잘 안 젖음)처럼 정지 상태 발수성이 다른 표면으로 바꿔, ‘움직임이 만드는 발수성’과 ‘표면 자체의 발수성’을 분리해 보자.

  3. 반사된 방울이 얻어 가는 수평 속도(비스듬한 튕김)를 영상에서 재어, 표면이 방울에 전해 준 운동량을 가늠해 보자.

연결 주제

IYPT 2025 문제 6 ‘물방울 수도꼭지’(떨어지는 물방울의 리듬)와 2024 문제 2 ‘물방울 현미경’(물방울 렌즈의 형태·광학)과 물방울 생성·고속 촬영·형태 측정 장비를 그대로 공유할 수 있다.

참고문헌

[학생] V. Bergeron, D. Quéré, “Water droplets make an impact,” Physics World 14(5), 27–31 (2001) — 발수 표면 위 물방울이 공처럼 튀는 현상을 쉽게 설명, https://physicsworld.com/a/water-droplets-make-an-impact/ / 영상: Y. Tagawa, “Steady drop levitation”(Gallery of Fluid Motion 2014), https://youtu.be/Btr4kLmqNaw — 움직이는 벽 위 물방울이 공기막에 떠 있는 모습. 검색어 “droplet levitation moving surface”, “drop bouncing superhydrophobic” / [심화] H. Lhuissier, Y. Tagawa, T. Tran, C. Sun, “Levitation of a drop over a moving surface,” J. Fluid Mech. 733, R4 (2013), doi:10.1017/jfm.2013.470 (arXiv:1306.1634) — 회전하는 원통 벽에 얹은 실리콘 오일 방울(50 cSt)이 벽 속력 3.0 m/s 이하의 어떤 임계 속력 이상에서 얇은 공기막 위에 떠오름을 간섭계로 확인. 점성이 더 낮으면 잠깐 떴다가 표면 물결이 자라 닿고, 훨씬 크면 아예 뜨지 못해 50 cSt 안팎이 가장 잘 뜬다고 보고(물은 시험하지 않음). A. Gauthier, A. Bouillant, C. Clanet, D. Quéré, “Aerodynamic repellency of impacting liquids,” Phys. Rev. Fluids 3, 054002 (2018), doi:10.1103/PhysRevFluids.3.054002 — 움직이는 판에 충돌한 액적이 표면 속력이 임계값을 넘으면 비스듬히 반사됨을 모델화(원문과 직접 대응). H. Almohammadi, A. Amirfazli, “Understanding the drop impact on moving hydrophilic and hydrophobic surfaces,” Soft Matter 13, 2040–2053 (2017), doi:10.1039/c6sm02514e — 법선 속력 0.5–3.4 m/s, 표면 속력 0–17 m/s 범위에서 거동을 체계적으로 지도화. R. H. Chen, H. W. Wang, “Effects of tangential speed on low-normal-speed liquid drop impact on a non-wettable solid surface,” Exp. Fluids 39, 754–760 (2005), doi:10.1007/s00348-005-0008-6 — 회전 테플론 면에서 부착·부분 반사·분열이 법선·접선 웨버 수로 갈림. O. A. Povarov 외, “Interaction of drops with boundary layer on rotating surface,” J. Eng. Phys. 31, 1453–1456 (1976), doi:10.1007/BF00860580 — 회전 원판 위 액적 상호작용의 고전 연구. ※ 공기막의 두께·안정성은 간섭계로만 직접 잴 수 있어(예: E. Sawaguchi 외, J. Fluid Mech. 862, 261–282 (2019), doi:10.1017/jfm.2018.952) 학교 장비로는 거동 변화로 간접 확인해야 하며, 임계 속력이 물방울 크기·법선 속력·공기 물성에 어떻게 의존하는지의 정량 경계는 이 탐구의 개방 지점이다.

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