샴페인 코르크 마개가 '펑'하고 터지는 이유
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-12-29 13:29:27
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복잡한 컴퓨터 시뮬레이션에서 샴페인 병을 열 때 코르크와 이산화탄소 가스의 동작 시연
샴페인 코르크는 초당 20m에 달하는 비교적 낮은 속도로 날아가
압축가스는 이제 병목에 자유 경로를 갖게 되어 거의 폭발적으로 팽창
가스는 코르크를 따라잡아 코르크를 지나 초당 최대 400미터의 속도에 도달
특정 지점에서는 가스가 -130°C까지 냉각
완벽한 피자, 라떼 마끼아또의 층, 위스키 방울의 건조 패턴 등 일상의 많은 현상과 사물 뒤에는 물리학이 있다. 이는 새해 전야와 기타 축제 행사에 인기 있는 스파클링 와인이나 샴페인에도 적용된다. 이들의 전형적인 특징은 용해된 이산화탄소의 가스 방출로 인해 발생하는 섬세한 기포다. 몇 년 전 물리학자들은 스파클링 와인 표면에서 거품이 터지면 어떤 일이 일어나는지, 그리고 왜 이런 소리가 들리는지 설명했다.
샴페인 코르크 마개가 터지는 이유는?
이제 스파클링 와인 및 샴페인과 불가분의 관계가 있는 또 다른 현상, 즉 샴페인 코르크가 터지는 현상에 대한 새로운 정보가 있다. 언뜻 보면 이렇게 터지는 이유는 간단해 보인다. 샴페인 병에 높은 압력이 있기 때문이다. 코르크를 느슨하게 하면 이 압축 가스가 마개를 바깥쪽으로 밀어낸다. 강한 펑 소리와 함께 압력이 풀리고 코르크가 날아간다.
그런데 이 폭발은 정확히 어떻게 발생하는 걸까요? 그리고 그 뒤에는 어떤 물리학이 있을까? 비엔나 공과대학의 Lukas Wagner와 그의 동료들은 이제 이 문제를 더 자세히 조사했다. 이를 위해 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션에서 샴페인 병을 열 때 코르크와 이산화탄소 가스의 동작을 시연했다. 그들은 병의 목 부분과 병 바로 위에서 일어나는 일에 특별한 주의를 기울였다.
소리보다 빠르다
이는 샴페인 코르크가 느슨해지면 코르크와 샴페인 표면 사이의 압축 가스가 팽창하기 시작하여 코르크 측면을 지나 빠져나가기 시작한다는 것이다. 그러나 병목에 있는 코르크의 마찰로 인해 여전히 속도가 느려진다. 코르크가 느슨해지면 두 가지 일이 발생한다. 첫째, 코르크가 갑자기 팽창하여 압력파가 생성된다. Wagner는 “샴페인 코르크는 초당 20m에 달하는 비교적 낮은 속도로 날아간다”고 말했다.
반면, 압축가스는 이제 병목에 자유 경로를 갖게 되어 거의 폭발적으로 팽창한다. 이로 인해 매우 빠른 속도로 가스가 병 밖으로 분출된다. “가스는 코르크를 따라잡아 코르크를 지나 초당 최대 400미터의 속도에 도달한다”고 Wagner는 설명했다. 따라서 이 가스 제트는 음속보다 빠르며 음속 장벽을 깨뜨린다.
병목 현상의 소닉 붐과 마하 디스크
우리는 샴페인 병에서 빠져나오는 초음속 가스 소리를 들을 수 있다. 가스 흐름에 의해 생성된 충격파는 큰 소리를 내며, 이는 주로 고전적인 코르크가 터지는 소리의 원인이다. 바그너의 동료인 베른하르트 셰이클(Bernhard Scheihl)은 “처음에는 샴페인 병이 터질 때 실제로 초음속 현상이 일어날 것이라는 점은 분명하지 않았다”며 "그러나 우리의 시뮬레이션은 이것이 유체 역학의 방정식에서 아주 자연스럽게 발생한다는 것을 보여준다"고 말했다.
또한 흥미로운 점은 압력이 갑자기 변하는 가스 제트 지점의 병목 부분에 마하 디스크가 생성된다는 것이다. 이 디스크 모양의 구역은 충격파와 주변 공기의 상호 작용에 의해 형성된 정재파 패턴에 의해 생성된다. Wagner의 동료인 Stefan Braun은 "배기가스 제트가 엔진에서 고속으로 나오는 초음속 항공기나 로켓에서도 매우 유사한 현상이 알려져 있다"고 설명했다. 그러나 샴페인 표면의 마하 디스크는 훨씬 작아서 우리가 거의 볼 수 없다.
순간 동결 및 드라이아이스 연기
스파클링 와인의 코르크를 뽑을 때 더 많은 물리적 현상이 있다. 압축가스의 압력이 소닉 붐으로 방출되면 온도도 갑자기 변한다. “가스가 팽창하면 더 차가워지는데, 이는 스프레이 캔에서 흔히 볼 수 있는 현상이다.” 그러나 샴페인 병의 경우 이 효과는 훨씬 더 극단적이다. 특정 지점에서는 가스가 -130°C까지 냉각될 수도 있다.
극단적인 경우, 가스의 충격적인 동결로 인해 작은 드라이아이스 결정이 생성되기도 한다. "이 효과는 스파클링 와인의 원래 온도에 따라 달라진다"고 Wagner는 말했다. “온도가 다르면 크기가 다른 드라이아이스 결정이 생기고, 이로 인해 빛이 다양한 방식으로 산란된다. 이렇게 하면 다양한 색깔의 연기가 생성된다. 원칙적으로 이 색상으로 스파클링 와인의 온도를 읽을 수 있다.”
샴페인 병을 여는 것이 겉보기에는 간단해 보이지만 행위는 꽤 특별하다. 코르크 마개를 뽑을 때 다양한 매혹적인 현상을 초래하는 복잡한 물리적 과정이 발생한다.
(Flow, 2023 승인, doi: 10.1017/flo.2023.34)
출처: 비엔나 공과대학
복잡한 컴퓨터 시뮬레이션에서 샴페인 병을 열 때 코르크와 이산화탄소 가스의 동작 시연
샴페인 코르크는 초당 20m에 달하는 비교적 낮은 속도로 날아가
압축가스는 이제 병목에 자유 경로를 갖게 되어 거의 폭발적으로 팽창
가스는 코르크를 따라잡아 코르크를 지나 초당 최대 400미터의 속도에 도달
특정 지점에서는 가스가 -130°C까지 냉각
샴페인 코르크 마개가 터지는 이유
새로운 모델 시뮬레이션은 전형적인 "펑" 뒤에 숨은 물리학을 드러낸다.
일상생활의 물리학:
새해 전야에 샴페인 코르크가 터지면 우리가 생각하는 것보다 더 많은 일이 일어난다. 전형적인 "뻥"은 최근 한 연구에서 밝혀진 바와 같이 매혹적이고 다소 빠른 물리적 과정으로 인해 발생한다. 따라서 병목 현상에는 음속 장벽을 무너뜨리고 심지어 제트기에서 볼 수 있는 것과 같은 작은 마하 디스크를 생성하는 빠른 가스 흐름이 있다. 동시에 CO2의 일부가 급속 냉동되어 드라이아이스 결정에서 스파클링 와인 "연기"가 생성된다.
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| ▲ 코르크를 뽑으면 스파클링 와인이나 샴페인이 터지는 이유는 무엇일까? 이 질문 뒤에는 당신이 생각하는 것보다 더 많은 물리학이 숨어있다. © Erdosain/Getty 이미지 |
완벽한 피자, 라떼 마끼아또의 층, 위스키 방울의 건조 패턴 등 일상의 많은 현상과 사물 뒤에는 물리학이 있다. 이는 새해 전야와 기타 축제 행사에 인기 있는 스파클링 와인이나 샴페인에도 적용된다. 이들의 전형적인 특징은 용해된 이산화탄소의 가스 방출로 인해 발생하는 섬세한 기포다. 몇 년 전 물리학자들은 스파클링 와인 표면에서 거품이 터지면 어떤 일이 일어나는지, 그리고 왜 이런 소리가 들리는지 설명했다.
샴페인 코르크 마개가 터지는 이유는?
이제 스파클링 와인 및 샴페인과 불가분의 관계가 있는 또 다른 현상, 즉 샴페인 코르크가 터지는 현상에 대한 새로운 정보가 있다. 언뜻 보면 이렇게 터지는 이유는 간단해 보인다. 샴페인 병에 높은 압력이 있기 때문이다. 코르크를 느슨하게 하면 이 압축 가스가 마개를 바깥쪽으로 밀어낸다. 강한 펑 소리와 함께 압력이 풀리고 코르크가 날아간다.
그런데 이 폭발은 정확히 어떻게 발생하는 걸까요? 그리고 그 뒤에는 어떤 물리학이 있을까? 비엔나 공과대학의 Lukas Wagner와 그의 동료들은 이제 이 문제를 더 자세히 조사했다. 이를 위해 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션에서 샴페인 병을 열 때 코르크와 이산화탄소 가스의 동작을 시연했다. 그들은 병의 목 부분과 병 바로 위에서 일어나는 일에 특별한 주의를 기울였다.
소리보다 빠르다
이는 샴페인 코르크가 느슨해지면 코르크와 샴페인 표면 사이의 압축 가스가 팽창하기 시작하여 코르크 측면을 지나 빠져나가기 시작한다는 것이다. 그러나 병목에 있는 코르크의 마찰로 인해 여전히 속도가 느려진다. 코르크가 느슨해지면 두 가지 일이 발생한다. 첫째, 코르크가 갑자기 팽창하여 압력파가 생성된다. Wagner는 “샴페인 코르크는 초당 20m에 달하는 비교적 낮은 속도로 날아간다”고 말했다.
반면, 압축가스는 이제 병목에 자유 경로를 갖게 되어 거의 폭발적으로 팽창한다. 이로 인해 매우 빠른 속도로 가스가 병 밖으로 분출된다. “가스는 코르크를 따라잡아 코르크를 지나 초당 최대 400미터의 속도에 도달한다”고 Wagner는 설명했다. 따라서 이 가스 제트는 음속보다 빠르며 음속 장벽을 깨뜨린다.
병목 현상의 소닉 붐과 마하 디스크
우리는 샴페인 병에서 빠져나오는 초음속 가스 소리를 들을 수 있다. 가스 흐름에 의해 생성된 충격파는 큰 소리를 내며, 이는 주로 고전적인 코르크가 터지는 소리의 원인이다. 바그너의 동료인 베른하르트 셰이클(Bernhard Scheihl)은 “처음에는 샴페인 병이 터질 때 실제로 초음속 현상이 일어날 것이라는 점은 분명하지 않았다”며 "그러나 우리의 시뮬레이션은 이것이 유체 역학의 방정식에서 아주 자연스럽게 발생한다는 것을 보여준다"고 말했다.
또한 흥미로운 점은 압력이 갑자기 변하는 가스 제트 지점의 병목 부분에 마하 디스크가 생성된다는 것이다. 이 디스크 모양의 구역은 충격파와 주변 공기의 상호 작용에 의해 형성된 정재파 패턴에 의해 생성된다. Wagner의 동료인 Stefan Braun은 "배기가스 제트가 엔진에서 고속으로 나오는 초음속 항공기나 로켓에서도 매우 유사한 현상이 알려져 있다"고 설명했다. 그러나 샴페인 표면의 마하 디스크는 훨씬 작아서 우리가 거의 볼 수 없다.
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| ▲ 제트 전투기가 음속 장벽에 접근하면 Prandtl-Glauert 특이점이라고도 알려진 마하 디스크가 종종 형성된다. © skinman / GettyImages |
순간 동결 및 드라이아이스 연기
스파클링 와인의 코르크를 뽑을 때 더 많은 물리적 현상이 있다. 압축가스의 압력이 소닉 붐으로 방출되면 온도도 갑자기 변한다. “가스가 팽창하면 더 차가워지는데, 이는 스프레이 캔에서 흔히 볼 수 있는 현상이다.” 그러나 샴페인 병의 경우 이 효과는 훨씬 더 극단적이다. 특정 지점에서는 가스가 -130°C까지 냉각될 수도 있다.
극단적인 경우, 가스의 충격적인 동결로 인해 작은 드라이아이스 결정이 생성되기도 한다. "이 효과는 스파클링 와인의 원래 온도에 따라 달라진다"고 Wagner는 말했다. “온도가 다르면 크기가 다른 드라이아이스 결정이 생기고, 이로 인해 빛이 다양한 방식으로 산란된다. 이렇게 하면 다양한 색깔의 연기가 생성된다. 원칙적으로 이 색상으로 스파클링 와인의 온도를 읽을 수 있다.”
샴페인 병을 여는 것이 겉보기에는 간단해 보이지만 행위는 꽤 특별하다. 코르크 마개를 뽑을 때 다양한 매혹적인 현상을 초래하는 복잡한 물리적 과정이 발생한다.
(Flow, 2023 승인, doi: 10.1017/flo.2023.34)
출처: 비엔나 공과대학
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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