Scandal 15 (Part 1). 비눗방울은 왜 무지개색이 변하고 있을까?

 

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비눗방울의 무지개 색이 나타나고 변하는 원인에 대해서 먼저 Part 1을 순으로 알아 보도록 하자

 

Part 1
 1.비눗방울 형성원리
  2. 물방울은 왜 오래 유지 할수 없을까?       
  3. 비눗방울은 왜 둥글까?
  4. 비눗방울이 합쳐질 때는 특별한 패턴이 있을까?
 
Part 2
  5. 빛의 파동의 성질에 의한 간섭

 

 

 

 

 

1. 비눗방울 형성 원리

 

 

 

비누와 물을 함께 섞으면 그 분자들은 모두 함께 섞이게 되고, 표면 장력을 줄여 액체를 더욱 신축성있게 만들수 있다. 비누분자는 탄소(C)와 수소(H) 원자의 긴 사슬로 구성되고. 사슬의 한쪽 끝에는 물 속에 있기를 좋아하는(친수성) 원자의 배열이 있고, 다른 쪽 끝은 물을 피하는 (소수성)원자 배열로 구성되어 비누와 물 용액에서 비누 분자의 소수성 끝부분은 액체가 존재하기가 어렵다. 그래서 비누 분자의 기름진 부분이 거품 표면에서 튀어나오기 때문에 비누막이 증발로부터 어느 정도 보호되어(기름기가 증발하지 않음) 비눗방울형성이 된다.

 

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다시 말해, 비누와 물을 함께 섞으면 비누 분자가 물 분자 사이에 끼어 들어가고 비누 분자의 친수성 부분은 물쪽으로가고 소수성 부분은 공기중으로 향하게 되면서 물분자에 작용하는 인력을 줄여 비눗물이 형성되고, 비눗물에 공기가 들어가 방울이 생기면 물을 싫어하는 소수성 부분이 공기로 둘러 쌓고 반대쪽은 물이 모이게 되면서 비눗방울이 만들어지는 것이다.

 

  2. 물방울은 왜 오래 유지 할수 없을까?

 

일반적으로 액체는 액체를 이루는 분자들 사이의 거리가 가깝게 존재하기 때문에 분자들이 서로 끌어 당기는 힘이 생기다. 이러한 힘은 분자의 위치에 따라 다를수 있는데 표면에 있는 분자들은 위에는 다른 분자들이 없고 아래와 옆에 있는 분자들에 의해서만 잡아 당기고, 안 쪽에 있는 분자들은 위, 아래, 옆의 모든 방향에 있는 다른 분자들에 의해 인력을 받게 된다.

 

특히, 물 분자들은 최대한 많은 분자들을 안으로 보내어 큰 힘을 받게 하고 작은 힘을 받는 표면에 있는 분자의 수를 최소한 줄일려는 힘에 의해 표면은 팽팽하게 잡아당겨 표면적을 작게 만들려는 힘이 생긴는데 이것을 ‘표면장력’이라고 한다.

 

그래서 물방울은 둥근 모양을 가지고 있는데 이는 표면장력 때문이다. 물 분자들은 주위의 분자들로 부터 당기는 힘이 있는데 내부에 있는 액체 분자들 보다 바깥과 닿아 있는 표면에 가까운 액체 분자들이 서로 끌어당기려는 성질이 강하다. 그래서 물방울은 바깥으로 갈수록 분자들의 거리가 좁아지려는 힘인 표면장력 때문에 자연스럽게 둥근 구의 형태로 이루어지게 된다.

 

그러나 물에 공기를 넣어 공기방울을 만들면 물의 표면장력이 너무 강해서 서로 붙고 싶어하는 성질 때문에 공기가 들어가 넓어지는 면적을 줄이려고 하기 때문에 물로 만든 공기방울은 오랫동안 유지할수 없고 터지게 된다. 또한 물 기포의 증발로 표면이 빠르게 얇아져서 터지게 된다.

 

3. 비눗방울은 왜 둥글까?

 

 

비눗물 막은 서로를 끌어당기는 경향이 있는 분자들로 이루어져 있고 이 막으로 둘러싸인 공기는 막에 의해 수축되며 공기이기 때문에 접촉하는 모든 표면 지점에 동일한 힘이 가해지면서 비눗물 막이 수축을 일으키는 힘이 갇힌 공기가 막에 다시 가하는 압력과 균형을 이루는 지점에 도달할 때까지 비눗물 막은 계속 수축하다가 힘은 균형을 이루는 모양이 원형이 되는것이다.

 

수학적으로 구는 모든 단일 점이 모양의 다른 모든 점과 정확히 동일한 유일한 모양이기 때문이다. 따라서 구형 기포 내에서 모든 비누 분자는 동일한 수의 주변 비누 분자를 끌어당기게 된다. 결국 표면 장력을 최소화 하는 조건에서 유지할려고 하다 보니 구형이 되는 것이다. 구형 비눗방울의 최소면적방법은 1884년 헤르만 슈바르츠(HA Schwarz)에 의해 알려졌다.

 

 

4. 비눗방울이 합쳐질 때는 특별한 패턴이 있을까?

 

Christopher Moraes, "Pop Culture: A Soap Bubble-based Framework for Nanoeducation Outreach*, International Journal of Engineering Education Vol. 28, No. 5,

 

구형 비눗방울의 최소면적방법은 1884년 헤르만 슈바르츠(HA Schwarz)에 의해 알려졌다.최소한의 표면적으로 크기가 다른 두개의 비눗방울의 공기의 부피를 둘러 싸게 된다는것이다.

 

1993년에 Alfaro, Brock, Foisy, Hodges 및 Zimba는 이중비눗방울의 접촉 호가 모두 120에서 만나도록 선으로 분리된 두 개의 교차하는 원에 대해 두 개의 동일한 영역을 둘러싸는 최소 둘레를 갖는 모양 구성을 증명하였다.2002년 위치라말(Wichiramala)는 3개의 동일한 면적을 둘러싸는 최소 둘레를 가진 모양의 구성이 3개의 교차하는 원에 대해 호가 모두 120도 각도에서 만나는 것을 증명하였고, 평면에 있는 4개 이상의 기포에 대한 최소 둘레를 갖는 최적의 구조를 찾는 문제는 현재 아직 해결되지 않았지만, 추측된 모양 구성은 모든 교차 원이 120도 각도의 패턴을 따른다.

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비눗방울의 형성 원리를 알아 보았으니 무지개 색깔이 나타나고 변하는 이유에 대해서 알아 보자.

비눗방울의 무지개 색깔이 계속 바뀌는 것은 중력과 빛의 간섭효과에 의해 발생하는데 우선 비눗방울이 어떻게 형성되는지를 알아 보자

 

둥근 물방울은 무지개 색이 나타나지 않으나, 비눗방울은 무지개 색이 나타난다.

왼쪽 물방울, 오른쪽 비눗방울, https://en.wikipedia.org/

 
 

Part 1
 1.비눗방울 형성원리
  2. 물방울은 왜 오래 유지 할수 없을까?       
  3. 비눗방울은 왜 둥글까?
  4. 비눗방울이 합쳐질 때는 특별한 패턴이 있을까?
 
Part 2
  5. 빛의 파동의 성질에 의한 간섭