과학 실험 교실2010. 2. 21. 02:12



집에서 하는 과학 실험 - 표면 장력을 실험을 통해 이해해 보자.

과학 시간에 이해가 되는 거 같은데도 어려운 힘의 종류가 하나 있다.
바로 표면장력이 그 중에 하나이겠다. 어떻게 보면 매우 쉬운 이론이지만. 이 표면장력을 파고 들다보면 어느 순간 안드로메다에 빠지게 된다. 하지만 어렵게 보지말고 쉽게 보자.

표면장력을 이해하기 위해선 두가지의 힘만 알면 된다.
응집력부착력에 대해서 이해를 하면 되겠다. 그렇다면 아이들에게 이 응집력과 부착력은 어떻게 이해시킬까. 그것도 문제이겠다.

일단 표면장력에 대해 설명을 약간 해주자.



위에 그림에서 보는 것처럼 비누방울이나 이슬방울은 모두 모양이 동그랗다. 이들은 바늘 끝으로 살짝 찔러도 터지거나 깨지지 않고 다시 처음과 같은 동그만 모양으로 돌아가는 것을 볼 수 있다. 마치 고무처럼 탄력있는 얇은 막이 이들 표면을 보호하고 있는 것 처럼 느껴진다.
왜그럴까? 혹시 그 들 사이에서 서로 뭉치려는 힘이 작용하는 건 아닐까?

이렇게 설명하고 응집력과 부착력에 대해서 설명하면 되겠다.
서로 뭉치려는 힘을 우리는 응집력이라고 부를 수 있겠다. 같은 물질끼리 서로 잡아당기는 힘을 우리는 응집력이라고 부른다. 응집력이라는 말이 어렵다면 서로 같은 물질끼리 모이려는 힘이라고 설명해도 되겠다. 또한 그 반대로 서로 다른 물질끼리 붙어 있으려 하는 힘을 우리는 부착력이라고 한다.
예를 들어 실험실에서는 흔히 이것을 설명할 수 있는 것이 바로 매니스커스라는 것이다.


메스실린더에 물을 넣으면 아래로 볼록한 모양의 물의 구조를 볼 수있다. 이는 물과 유리벽의 서로 다른 물질에 작용하는 힘인 부착력이 물 끼리의 응집력보다 크기 때문에 유리벽에 젖은 물 표면적이 증가하게 된다. 그래서 아래로 볼록한 모양을 가지게 되는 것이다.

그다시 본론으로 돌아와서 표면장력은 무엇일까? 바로 이 응집력과 부착력의 차이에 의해 생기는 힘을 말한다. 응집력이 크면 클수록 더 동그랗고 조그마한 모양을 가질 것이고 상대적으로 부착력이 응집력보다 크게 된다면 넓은 표면적을 갔는 모양을 가질 것이다. 즉 표면장력은 이 두개의 힘의 차이에 의해서 생기는 힘으로 액체의 표면적을 최소화 하려는 경향을 말한다.

이것을 실험하기 위에선 여러가지 액체물질을 유리판이나 플라스틱 판 위에 한방울 떨어뜨리고 비교해 보면 되겠다.
집에서 쉽게 이용할 수 있는 물질로는 물, 식초 식용유, 소주 등이 있겠다.
한방울씩 종이에 떨어트리고 액체의 모양과 크기를 그려 비교해보자.

다음 실험으로는 유리컵속에 물을 가득 채운뒤 스포이트를 이용하여 유리컵에 물방울을 떨어뜨려보자.
유리잔의 물이 넘칠때까지 첨가된 물방울 수를 기록하는 방법도 재미있겠다. 볼록해진 유리컵 위의 물이 아슬아슬하게 넘치지 않고 버티는 모습을 보곤 재미있어 한다.

이와 같은 맥락의 또 다른 실험으로는 동전위에 물을 떨어뜨리면서 얼마나 많은 물방울이 바닥에 흐르지 않고 들어가는지 살펴보는 것도 재밌다.

나아가 표면장력의 변화에 대해서도 알아 볼 수 있겠다. 유리컵에 물과 식용유를 넣고, 젓가락을 이용하여 흔들어 보자. 그 현상을 관찰한 뒤에 다시 젓가락에 세제를 묻혀서 유리컵에 넣고 섞어보자. 그러면 신기한 일이 벌어질 것이다. 세제에는 계면활성제라는 물질이 있는데 이 물질이 식용유와 물을 섞이게 만들어준다.
이 실험은 다른 방법으로도 가능하겠다. 조그마한 접시에 물을 넣고 그 위에 후추가루를 약간 뿌려 놓는다. 그 다음에 젓가락에 세제를 묻혀 접시의 가운데에 살짝 담가보자. 후추가 젓가락을 중심으로 옆으로 동그랗게 벌어지는 현상을 볼 수 있다. 이것도 표면장력이 변했기 때문에 일어나는 현상이다.

더 나아가 모세관 현상에도 이 표면장력을 적용할 수 있겠다. 모세관 현상은 부착력이 응집력보다 클 경우에 일어나는 현상으로 우리 주변에서도 많은 예를 찾아 볼수 있다. 아이들과 함께 어떤 경우가 있는 지 살펴보는 것이 좋겠다.
그전에 얇은 빨대를 이용하여 물감을 탄 물에 살짝 빨대를 가져가 보자. 그러면 액체가 빨대를 타고 쭈욱 올라오는 것을 볼 수 있다. 이렇게 보여주고 난뒤 주변에서 볼 수 있는 모세관 현상에 대해서 아이와 함께 생각해 보는 것이 좋겠다.

모세관 현상의 예
- 붓을 물에 담그면 붓 털 사이의 작은 공간 사이로 모세관 현상이 일어나 붓이 젖는다.
- 머리카락 끝을 물 속에 담그면 물이 올라와 머리가 젖는다.
- 양초 심지를 따라 계속해서 파라핀 성분이 올라온다.
- 물에 옷이나 종이를 가져다 대면 옷과 종이가 젖는다. 이는 옷의 섬유와 종이 사이의 미세한 공간이 모세관 구실을 하기 때문이다.
- 식물의 뿔리에서 흡수된 물이나 양분이 식물체 전체에 골고루 퍼진다.(수액상승)

이렇게 실험을 하면서 아이들과 함께 모세관 현상과 표면장력에 대한 원리를 이해할 수 있겠다.


Posted by 보라곰!

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  1. 울 딸아이가 저에게 설명하던 표면장력이 떠올랐어요..^^

    행복한 하루 되세요

    2010.02.22 12:58 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 와~~ 아이가 표면장력을 설명한다고요?
      대단하네요! ^^ 좋으시겠어요~
      울 아기는 언제커서 설명을 나에게 해주려나..^^

      2010.02.22 13:26 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]