공기의 거품에 덮어진 철공이 물에 잠기면 물의 저항이 격감하는 것을 과학자가 실증

공기의 거품에 덮어진 철공이 물에 잠기면 물의 저항이 격감하는 것을 과학자가 실증

물을 가득 채운 수영장에 철의 공을 떨어뜨렸을 때, 보통은 물의 저항 힘을 받는 것으로 철공은 단숨에 잠기지 않고, 어느정도의 속도로 밑바닥에 떨어져 갑니다. 그러나, 어떤 연구팀이 한 연구에서는, 특수한 표면처리를 설비한 철공을 일정한 조건 아래에서 물속으로 줄이면, 철공이 거품과 같은 공기의 층에 싸여지는 것으로, 물의 저항이 거의 없어져서 빠른 속도로 잠겨 가는 것이 실증되었습니다.

이 연구는, 멜버른 대학교와 사우디아라비아의 킹압둘라과학기술 대학교 등 과학자들에 의해 행하여지고 있습니다. 실시된 실험은 일견하면 단순한 것으로, 지름 2cm의 철공을 물을 만족시킨 깊이가 있는 수영장에 줄인다고 하는 것입니다만, 어떤 조건을 채웠을 경우에는 공기의 거품에 싸여진 철공이 그대로 수영장의 밑바닥에 잠겨버려, 그 속도는 통상의 계산치에 비교해서 10배에 달하고 있었던 것. 즉, 보통은 있을 것인 「물의 저항」이 철공을 넣는 공기의 거품에 의해 크게 경감된다라고 하는 현상이 확인되었습니다.

단지 물속으로 철공을 줄이는 것 뿐이라면 간단한 실험입니다만, 실제로 연구팀은 이 현상을 확인할때 까지 몇 년이나 시간을 써버린 것. 그 어려움은, 이 현상을 만들어 내는 조건을 찾아내는 곳에 있었던 것 같습니다. 연구팀은 「미리 과열해서 고온으로 해둔 것」과, 「표면에 초소수 처리를 실시해 두는 것」과 2종류 철공을 준비하고, 실험을 시작한 것.

연구팀은, 철공을 먼저 섭씨 400도라고 하는 고온에 가열하고, 게다가, 철공을 가라앉히는 물을 비등 직전의 섭씨 95도에까지 따뜻하게 해 두었습니다. 이 상태로 철공이 물로 씻어지면, 400도의 철공이 95도의 물에 포고, 일순으로 접촉면의 물이 비등해서 기체에 변화되어서 수증기가 발생. 그러자, 이 수증기가 물과 철공의 사이에 얇은 층을 만들고, 물과 철공이 접촉하는 것을 막습니다. 그리고, 철공이 떨어짐과 동시에 이 현상이 연속적으로 일어나는 것으로, 물의 저항이 크게 감소하는 것이 확인된 것.

이 현상은, 고온으로 가열한 후라이팬 위에 물을 떨어뜨리면, 발생한 수증기에 의해 물방울이 떠오르고, 물이 상당히 증발해버리지 않게 되는 라이덴 프로스트 효과가 물속에서 일어나고 있는 것. 철공에 의해 물은 과열됩니다만, 그것에 의해서 한순간으로 생긴 수증기에 의해 물과 철공이 대부분 접촉하지 않는 상태가 일어난다고 하는 연쇄반응이 계속되고 있다고 하는 것입니다.

또 하나의 철공은, 표면에 물을 튕기는 「초소수처리」를 시행합니다. 이것은, 소위 「방수 가공」이라고 불리는 것과 같고, 이 처리를 실시된 물체는 표면에 물이 붙어도 머물지 않고 미끄러 떨어져버립니다. 연구팀은, 자동차 사이드미러 물방울방지 용품으로서 판매되고 있는 Glaco Mirror Coat Zero를 철공에 스프레이해서 방수 가공을 설비하는 것으로, 저저항 상태를 만들어 내고 있습니다. 연구팀의 일원인 Derek Chan 박사는 「이 방법이 좋은 점은, 물이 실온과 같은 상온에 있어도 효과가 생기는 점입니다」라고 함께 이야기 하고 있습니다.

킹압둘라과학기술 대학교의 Ivan Vakarelski박사와 Sigurdur Thoroddsen박사는, 물의 저항을 절감하는 방법은 이외에도 있다고 이야기합니다. 예를 들면, 골프볼의 표면에 있는 구덩이 「딤플」이 공기저항을 절감하는 효과를 가지는 것은 잘 알려져져 있는 것 이외에, 수중을 나아가는 물체의 앞부분으로부터 공기의 거품을 떼어 놓는 것으로, 물의 저항이 줄어드는 것도 알려져 있습니다. 이 방법에 의해 저항이 감소하는 현상은, 물이나 공기 등, 「유체」가 물체의 주변을 흐르는 모양을 변화시키는 것으로 실현되는 것. 여기에서 중요하는 것이, 물체와 유체의 사이에 존재하는「경계층」의 존재입니다.

연구팀이 최초에 한 철공에 의한 실험에서는, 1mm정도의 수증기에 의한 「경계층」을 만들어 낼 수 있었습니다만, 이것에 의해 경감되는 물의 저항은 10∼20%정도에밖에 안되는 것. 게다가 많은 저항 경감을 실현하기 위해서, 연구팀은 이 방법을 찔러 진행시키기로 했습니다. 다음에 연구팀이 진척시킨 것이, 철공을 줄이는 높이로 의한 공기층의 변화. 그러자, 가장 잘 큰 공기의 거품을 만들고, 게다가 그 거품이 보다 오래 유지되는 높이의 영역이 존재하는 것이 밝혀져 왔습니다.

물리학 세계에는 「정지하고 있는 이상기체중에 물체를 등속직선운동시켰을 때에, 물체에는 저항력이 일하지 않는다」라고 하는 달랑베르의 패러독스라고 불리는 유명한 파라독스가 존재하고 있습니다. 지금까지, 골프볼과 같은 복잡한 형상을 가지는 물체에 대한 유체의 흐름을 수식에서 증명하는 것은 대단히 곤란했습니다만, 이번 실험에 의해, 한층더 단순한 형상을 가지는 구체에 대한 유체의 움직임을 단순한 수식의 이론적 모델로 표현하는 것이 가능해지는 것. 이것에 의해, 선박의 물에 의한 저항을 경감하는 연구가 한층더 진행하는 것이 기대되고 있습니다.

현재라도, 선박의 표면에 따라 미소한 공기의 거품을 흘려보내는 것으로 경계층을 만들고, 저항력을 경감하는 기술은 개발되고 있습니다만, 배 밑바닥 표면을 초소수처리하는 것으로 표면에 얇은 공기의 막을 만들고, 한층더 저항 경감을 노리는 것도 가능해져 오는 것 같습니다.