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- 계란 수평 수직 낙하실험으로 강도 측정
- 수직으로 떨어뜨린 계란이 수평 방향보다 더 자주, 그리고 더 낮은 낙하 높이에서 깨졌다
- 옆으로 눕힌 계란은 깨지기 전에 변형, 깨지기 전에 30% 더 많은 에너지를 흡수
- "계란은 낙하를 견뎌내려면 단단해야 하는 것이 아니라 질겨야 한다"

"계란 떨어뜨리기 도전": 계란이 깨질 때
물리 실험으로 밝혀진 달걀 껍질의 진정한 강도

오해가 드러났다:
물리학자들이 "계란 떨어뜨리기 도전"에서 발견했듯이, 계란은 "엉덩이"나 끝부분을 수직으로 떨어뜨렸을 때 덜 깨지는 것이 아니다. 이는 일반적인 오해와는 달리, 계란 껍질은 옆으로 떨어뜨렸을 때 충격에 더 잘 견딘다는 것을 시사한다. 그 이유는 적도를 향할 때 계란은 수직으로 떨어뜨렸을 때보다 더 많이 변형되고 더 많은 에너지를 흡수할 수 있기 때문이다. 

▲ 실험에서 얻은 몇 개의 알. © Tal Cohen et al.

"Egg Drop Challenge"은 교실에서 흔히 볼 수 있는 실험이다. 학생들은 깨지지 않도록 창의적인 "포장"을 사용하여 특정 높이에서 일반적인 계란을 떨어뜨린다. 이 실험의 설명서에는 계란이 끝부분을 수직으로 떨어뜨렸을 때 "더 강하고" 껍질이 깨질 가능성이 적다고 종종 언급된다. 하지만 이것이 사실일까요?

낙하 실험, 가정을 반박한다

매사추세츠 공과대학(MIT)의 앤터니 수탄토(Antony Sutanto)가 이끄는 물리학자들이 이를 증명했다. 그들은 계란을 180회 낙하 실험했다. 계란을 수직 또는 수평으로, 평평한 끝이나 뾰족한 부분이 아래로 향하게 하거나 옆으로 눕혀 떨어뜨렸다. 각 방향으로 계란 20개를 8mm, 9mm, 10mm 높이에서 발사해 단단한 표면에 떨어뜨렸다. 이 변형된 "계란 낙하 실험"에서 연구진은 얼마나 계란 껍질이 많이 깨졌는지 비교했다.

▲ 수평 정적 시험 후 깨진 달걀. © Tal Cohen 외/Scientific Reports

수탄토가 이끄는 물리학자들은 일반적인 믿음과는 달리 수직으로 떨어뜨린 계란이 수평으로 떨어뜨린 계란보다 더 자주, 그리고 더 낮은 낙하 높이에서 깨졌다는 것을 관찰했다. 8mm 높이에서 수직으로 떨어뜨린 계란의 절반 이상이 깨졌다. 뾰족한 끝 혹은 평평한 끝이 먼저 닿는지는 아무런 차이가 없었다. 반면, 같은 높이에서 적도 쪽으로 옆으로 떨어뜨린 계란은 10% 미만만 깨졌다. 이러한 계란은 더 쉽게 튕겨 나갔고 껍질은 손상되지 않았다.

▲ 수직 정적 시험 후 깨진 달걀. © Tal Cohen 외/Scientific Reports

옆으로 눕힌 계란은 깨지기 전에 변형된다.

그 이유는 무엇일까? 물리학자들은 이를 알아내기 위해 계란 60개를 장치에 넣고 껍질이 깨질 때까지 압력을 가했다. 이렇게 하여 연구진은 수직과 수평으로 놓인 계란 30개씩을 깨는 데 필요한 힘을 측정했다. 

▲ a 계란의 하중 지지 능력은 종종 하중을 효과적으로 재분배하는 구조 아치의 하중 지지 능력과 유사하게 설명된다. 본 연구에서는 이러한 유추가 얼마나 타당한지 조사합했. b 계란은 수직(빨간색, 위)과 수평(파란색, 아래)의 두 방향으로 정적으로 하중을 받는다. 실험 균열 패턴은 두 번째 열에 표시되어 있다. 시각화를 개선하기 위해 수직 방향의 균열선이 강조되었다. 오른쪽 두 열은 수치 시뮬레이션에서 얻은 유사한 균열 패턴을 보여준다. c 실험 하중-변위 곡선. 가는 선은 개별 시험을 나타내고, 굵은 선은 각 방향의 평균 곡선을 나타낸다. 균열 전후 곡선의 연속 영역은 각각 평균화됐다. d 시뮬레이션된 하중-변위 곡선. e 균열 전 흡수 에너지의 바이올린 플롯. 이 플롯은 중앙값, 사분위 범위 및 데이터 점의 분포를 표시한다. 서로 다른 방향의 흡수 에너지 간에는 통계적으로 유의미한 차이가 있다(p < 0.0001). (출처:관련논문 Published: 08 May 2025 / Challenging common notions on how eggs break and the role of strength versus toughness)

놀라운 결과:
수직과 수평으로 놓인 계란 모두 약 45N(뉴턴)의 힘으로 깨졌다. 따라서 껍질의 경도는 방향과 무관하다. 그러나 옆으로 눕힌 계란은 깨지기 전에 변형되었고, 똑바로 눕힌 계란보다 30% 더 압축될 수 있었다. 수탄토와 그의 동료들은 계란 껍질이 적도 부근에서 더 유연하기 때문에 옆으로 놓았을 때 깨지기 전에 30% 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다고 결론지었다.

딱딱한가, 강한가, 아니면 질긴가?
그렇다면 수평으로 떨어뜨린 계란이 깨질 가능성이 더 높다는 널리 퍼진 오해는 어디에서 비롯된 것일까? 수탄토 연구팀은 사람들이 "강도"라는 용어를 사용할 때 강성, 강직성, 인성의 물리적 특성을 혼동하고, 부정확한 표현을 사용하는 경우가 많다고 생각한다. 압축 시험에서 나타난 변형에서 알 수 있듯이 계란은 수직으로 압축될 때 더 단단해진다. 그러나 이것이 계란이 수직 방향으로 더 강하고 질긴다는 것을 반드시 의미하는 것은 아니다. 즉, 압축 시험과 낙하 시험에서 확인된 것처럼 계란은 깨지기 위해 더 많은 힘이 필요하거나 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다는 것을 의미한다.

▲ a 수직(위) 및 수평(아래) 낙하 실험 스냅샷 시퀀스. b 세 가지 높이에서 다양한 방향으로 낙하했을 때 깨진 계란의 비율. (출처:관련논문 Published: 08 May 2025 / Challenging common notions on how eggs break and the role of strength versus toughness)

"계란은 낙하를 견뎌내려면 단단해야 하는 것이 아니라 질겨야 한다"고 연구팀은 강조했다. "이번 연구 결과와 분석은 언어가 시스템에 대한 우리의 이해에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지, 그리고 문제를 잘못 정의할 경우 오해와 변형으로 이어질 수 있는지에 대한 경고의 메시지를 전달한다.“

안전모 적용 가능성?

이러한 연구 결과가 학교 기반 "계란 낙하 챌린지"를 넘어 물리 교육에 활용될 수 있을지는 불분명하다. 그러나 다른 재료로 만들어진 껍질 구조가 동적 하중에 어떻게 반응하는지와 같은 기술적 응용 분야와 의문점으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 연구자들은 홍합, 거북이 등껍질, 또는 인간의 두개골이 충격에 어떻게 반응하는지 조사하고 이를 이용하여 헬멧과 같은 "보호 껍질"을 개발할 수 있다.
(Communications Physics, 2025; doi: 10.1038/s42005-025-02087-0)
출처: Springer Nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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