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【과학상식 제331호】입자운동과 산사태와 ‘브라질땅콩 효과’

작성자

신종오

등록일

2016.07.17

조회

0

【과학상식 제331호(15.10.2】 입자운동과 산사태와 ‘브라질땅콩 효과’


 [요약]
 ○ 견고한 형태를 유지하고 있는 고체알갱이들이 한번 움직이기 시작하면 유체 같이 경사면을 빠르게 흘러내려 순식간에 산사태를 일으키기도 함.
 ○ 산사태가 일어나면 ‘브라질땅콩 효과’ 때문에 매우 큰 파괴력으로 엄청난 피해를 줌. 알갱이 물질의 흐름 현상의 일종으로 전자재료, 기름, 가스, 제지, 유리 제조, 농업 등의 산업에서 중요한 역할을 함.
 ○ ‘브라질땅콩 효과’란 땅콩 믹스캔의 뚜껑을 열어보면 언제나 크기가 가장 큰 브라질 땅콩이 가장 위에 있다는 데서 이름 붙여짐.
 ○ 이러한 현상은 국립과천과학관 기초과학관 “입자운동과 산사태” 라는 전시물을 통해 보고 느끼고 체험할 수 있음.

[본문]
  견고한 형태를 유지하고 있는 고체알갱이들은 좀처럼 움직이지 않지만 한번 움직이기 시작하면 유체와 같아 경사면을 빠르게 흘러내려 순식간에 산사태를 일으키기도 한다. 산사태가 일어나면 브라질땅콩 효과 때문에 질량이 크고 거대한 돌덩어리가 표면으로 올라와 쏟아져 내리므로 다른 자연현상에 비해 매우 큰 파괴력으로 엄청난 피해를 준다.
  모래상자 안에 물체를 넣고 흔들면 무거운 물체는 떠오르고 가벼운 물체는 가라앉아 마치 중력법칙을 무시하는 듯한 결과를 보인다고 한다. 이런 현상은 모래와 같은 소위 알갱이 물질(granular material)에서 일어나는 복잡한 현상의 일례라고 하겠다.
  알갱이 물질의 흐름(granular flow)은 전자재료, 기름, 가스, 제지, 유리 제조, 농업 등의 산업에서 중요한 역할을 한다. 이들 산업에 사용되는 염료, 의약품, 가공식품 등은 혼합고체인데 제조 유통과정에서 심하게 흔들리게 되는 경우가 많아서, 흔들리더라도 잘 섞인 상태를 유지하는 것이 중요하기 때문이다. 하지만 물리학자들은 이러한 알갱이 물질의 가장 간단한 거동도 아직 방정식으로 설명하지 못하고 있다.
  알갱이 물질과 관련하여 물리학자들이 관찰한 여러 가지 이상한 현상 중에는 ‘브라질땅콩 효과’라는 것이 있다. ‘브라질땅콩 효과(Brazil nut effect)’는 다양한 크기의 입자가 섞인 알갱이 물질을 흔들고 섞었을 때, 결국에는 가장 큰 물체가 표면 위로 떠오르는 현상이다. 여러 종류의 땅콩들을 섞어 판매하는 땅콩 믹스캔의 뚜껑을 열어보면 언제나 크기가 가장 큰 브라질땅콩이 가장 위에 있다는 데서 이름 붙여졌다.

                               <사진> 입자운동과 산사태 전시물을 체험하고 있는 가족 관람객  ⓒ양광남

  이러한 현상은 국립과천과학관 기초과학관에 있는 '입자운동과 산사태'라는 전시물을 통해 보고 체험할 수 있다. 이 전시물은 액체는 경사면에서 모두 흘러내리지만 고체 알갱이들은 크기에 따라 흐르고, 섞이고, 밀리고, 정지하는 입자의 운동과 움직임의 복합 운동을 하는 특성이 있음을 보여 준다. 이러한 현상이 때로는 엄청난 눈사태, 산사태 같은 자연현상을 일으키는 재앙을 불러 온다는 입자의 웅장한 힘과 움직임을 회전하는 직경 4m의 대형 원판에서 느껴 볼 수 있다.
[참고자료] 국립과천과학관 기초과학관 체험전시물(입자 운동과 산사태), 위키백과, 네이버/구글 등 인터넷 자료
[정리] 과학상식 보급위원 양광남