음료수 따를 때 그릇의 벽면을 따라 흘러내릴 때, 드리블링과 찻주전자 효과

 

 

컵에 담긴 음료를 따를 때 컵의 옆면을 따라 흐르는 원리는 드리블링(Dribbling)이라고 한다. 이스라엘의 과학자 마커스 레이너가 1956년 찻주전자를 이용해서 물을 따를 때 물의 유량이 감소하면 물이 호 모양으로 흘러나오지 않고 물이 점차 주전자 쪽으로 붙어 흐르는 것을 관측하고 '찻주전자 효과'(Teapot Effect)라고 이름 붙였다. 당시에는 유체 속도의 증가가 압력의 감소를 동반한다는 베르누이의 원리 때문에 이렇게 된 것으로 추정했다.

 

이후 2010년 프랑스의 리옹대학교의 듀에즈 외 연구팀은 이 현상이 발생하는 원인을 밝혀냈다. 먼저 곡률이 있는 고체 표면 위를 액체가 흐를 때 액체의 위쪽은 높은 압력이, 아래는 낮은 압력이 발생하게 되면서 흐르는 액체가 압력의 영향으로 고체 방향으로 힘을 받아 고체 표면을 따라 흐르게 되는 것으로 이러한 현상을 코안다 효과(Coanda effect)라고 한다. 다음 고체가 액체에 젖게 될 경우 액체가 고체 표면에 붙어서 젖음성이 커지고 모세관 메니스커스(액체 표면이 표면장역에 의해 곡면을 형성한 모습)를 형성한다. 이후 모세관 현상에 의해 고체를 따라 흐르게 되는 것이다.

두에즈 외 연구팀은 '찻주전자 효과'에 영향을 미치는 요소로 ① 유체의 관성, ② 주둥이의 곡률, ③ 젖음성이라고 밝혔다. 또한 고체 벽과 액체 표면 사이의 각도가 작을수록 이 현상이 잘 발생하며 의외로 유체의 점성이나 중력은 영향을 주지 않는다고 한다. 즉, 유속이 느릴수록, 고체의 젖음성이 증가할수록, 그리고 음료가 흐르는 고체 끝부분의 곡률반경이 증가할수록 찻주전자 효과가 강해지게 되는 것이다.

그래서 '찻주전자 효과'가 발생하지 않게 하기 위해서는 음료를 따른 뒤 빠르게 휙 들어올리거나, 음료가 흐르는 끝부분을 얇게 만들어서 곡률을 줄여야 한다.(주전자 끝이 뾰족한 게 이 이유 때문이다. 와인 드롭 스토퍼도 동일한 원리이다.) 고체의 젖음성을 없애는 방법도 있는데 고체 표면의 발수성질이 강하게 되면 '찻주전자 효과'가 잘 나타나지 않는다.