유리 눈물이 전하는 과학의 수수께끼! ‘네덜란드의 눈물’로 충격의 순간을 느껴보세요

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!

이번에는 과학 동아리 학생들과 함께 진행했던 신기하고 아름다운 실험인 ‘루퍼트 왕자의 눈물‘을 소개해 드릴게요. 이 실험은 우리에게 너무나 익숙한 재료인 유리를 가지고 진행하는데, 우리가 상상했던 것 이상으로 놀라운 성질을 보여줘요. 열로 녹은 유리가 물속에 떨어지는 모습은 마치 하나의 예술 작품 같죠. 하지만 그 아름다움 뒤에는 고체와 액체의 상태 변화, 그리고 물질 내부에 숨겨진 응력의 드라마가 숨어 있답니다.

놀라움과 아름다움! ‘루퍼트 왕자의 눈물’로 유리의 신비에 빠져보세요

유리막대를 뜨겁게 달궈 물에 떨어뜨리면 마치 눈물 방울처럼 생긴 유리 조각이 만들어지는데, 이것이 바로 ‘루퍼트 왕자의 눈물(Prince Rupert’s Drop)‘이라고 불리는 거예요. 이 실험의 매력은 바로 이 조각이 만들어지는 과정의 아름다움과 완성된 후 예상치 못한 파괴 현상에 있죠.

루퍼트 왕자의 눈물이란? 유리의 성질을 통해 배우는 과학

루퍼트 왕자의 눈물은 녹아 있는 유리를 차가운 물속에 떨어뜨려 만듭니다. 이때 유리는 아주 특별한 내부 구조를 갖게 됩니다.

원리는 ‘구운 구슬‘과 비슷해요. 녹은 유리가 물속에 떨어지면, 먼저 바깥쪽부터 빠르게 식어 굳습니다. 액체에서 고체로 변할 때 유리는 부피가 살짝 줄어들죠. 표면이 먼저 굳기 때문에, 아직 녹아 있는 내부는 바깥쪽의 수축하는 힘에 의해 강하게 ‘압박‘받게 돼요.

이후 내부의 유리가 서서히 식어 굳는데, 바깥쪽은 이미 단단하게 굳어 있어서 내부 유리가 바깥쪽으로 당겨지는 강한 인장 응력(장력)을 받은 채로 굳게 됩니다. 그 결과, 루퍼트 왕자의 눈물은 표면은 매우 강하게 압축되고 내부는 강한 인장력을 받게 돼요. 이 특별한 힘의 균형이 바로 루퍼트 왕자의 눈물의 가장 중요한 특징이죠.

이 내부 응력 덕분에 루퍼트 왕자의 눈물 구슬 부분은 아주 튼튼해져요. 망치로 두드려도 잘 깨지지 않을 정도죠. 하지만 놀랍게도 이 눈물 모양 유리의** ‘꼬리’ 부분**을 펜치 등으로 살짝 깨뜨리거나 부러뜨리면, 한순간에 전체가 산산조각 나버려요. 이것은 꼬리 끝부분의 작은 손상이 방아쇠 역할을 해서, 내부에 쌓여 있던 강한 인장 응력이 한꺼번에 해방되면서 파괴가 퍼져나가기 때문이라고 해요.

비닐봉지에 넣고 보호안경을 쓴 채로 진행합니다. 비닐봉지 위에서 펜치로 꼬리 부분을 집어 부러뜨려 보세요. 그러면 전체가 순식간에 파괴됩니다.

참고한 사이트는 여기입니다:

망치로 두드려도 안 깨진다고?! 놀라운 유리를 만들어 보자

2020년 10월 30일 쓰쿠바 기술대학 산업기술학부

과학 동아리에서 직접 해봤어요! 준비물과 실험 모습

저희 과학 동아리에서도 이 신기한 실험에 도전했어요.

필요한 것들

유리막대: 일반적인 과학 실험용 유리막대면 충분해요.
토치 버너(또는 가스 버너): 유리를 녹이려면 고온이 필요해요.
내열 비커 또는 금속 용기: 유리 방울을 받을 차가운 물을 넣어서 사용해요.
차가운 물: 비커에 넣을 거예요.
펜치: 만들어진 루퍼트 왕자의 눈물 꼬리를 부러뜨리는 데 사용해요.
보호안경: 반드시 착용해야 합니다. 유리 파편이 튈 수 있어요.
내열 장갑: 유리막대를 잡을 때 사용하면 안전해요.
실험대: 안정된 장소에서 진행하세요.

실험 순서

물 준비하기:
- 내열 비커나 금속 용기에 충분한 양의 차가운 물을 담아 준비합니다. 물은 넉넉하게 넣어두세요.
유리막대 가열하기:
- 보호안경과 내열 장갑을 착용합니다.
- 유리막대 끝부분을 토치 버너 불꽃으로 가열합니다. 유리가 빨갛게 변하다가 서서히 녹기 시작하는 것을 볼 수 있습니다. 이때 유리가 녹아서 둥근 방울 모양이 될 때까지 충분히 가열해 주세요.
- 학생들은 안전한 거리에서 관찰하도록 하고, 화상에 특히 주의해 주세요.
물속에 떨어뜨리기:
- 유리가 충분히 녹아 방울이 형성되면, 뜨겁게 달궈진 유리막대 끝을 차가운 물속에 천천히 넣어 녹은 유리가 물속으로 톡 하고** ‘눈물처럼’** 자연스럽게 떨어지게 합니다. 억지로 흔들어서 떨어뜨리지 마세요.
- 물속에 떨어진 유리는 순식간에 식어 굳으면서 눈물 모양이 됩니다.
만들어진 눈물 관찰하기:
- 물속에서 만들어진 루퍼트 왕자의 눈물을 꺼내 그 독특한 모양과 투명도를 관찰합니다. 편광판에 비춰보면 특이한 색이 보일 거예요. 내부에 힘이 작용하고 있다는 걸 보여주는 증거라고 할 수 있죠.
충격의 순간! 파괴 실험:
- 보호안경을 반드시 착용하고, 안전한 장소에서 진행합니다.
- 만들어진 루퍼트 왕자의 눈물** ‘꼬리’ 끝부분**을 펜치로 세게 잡아 부러뜨려 보세요.
- 그러면 “파지직!”하는 소리와 함께 눈물 전체가 순식간에 산산조각 납니다. 이 극적인 파괴 현상에 학생들은 깜짝 놀랄 거예요.
- 파편이 튈 수 있으니 주변에 주의하고, 파편이 튀어도 문제없는 장소에서 진행하거나 투명한 케이스 안에서 진행하면 더 안전합니다.

이 실험에서 무엇을 배울 수 있을까요

루퍼트 왕자의 눈물 실험은 시각적인 재미뿐만 아니라 다음과 같은 중요한 과학 원리를 배울 수 있는 좋은 기회가 됩니다.

물질의 상태 변화: 유리가 고체에서 액체, 그리고 다시 고체로 변하는 과정을 관찰합니다.
열팽창과 수축: 물질이 식을 때 부피가 수축하는 현상이 루퍼트 왕자의 눈물의 특수한 내부 응력 구조를 만들어 낸다는 것을 설명할 수 있습니다.
내부 응력과 파괴: 유리 내부에 쌓인 응력이 외부의 작은 힘에 의해 한꺼번에 해방되면서 극적인 파괴를 일으키는 원리를 시각적으로 이해할 수 있습니다. 이는 재료 과학의 기본적인 사고방식으로 이어집니다.
물질의 성질과 구조의 관계: 같은 유리라는 물질이라도 가공 방식에 따라 전혀 다른 물리적 성질(튼튼함, 약함)을 보인다는 것을 직접 체감할 수 있습니다.

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