학문
직진만이살길
소금쟁이는 어떻게 물 위에 뜬 채로 걸어다닐 수 있나요?
소금쟁이 같은 곤충이 물에 빠지지 않고 표면 위를 걸어다니는데, 이 곤충이 물보다 가벼운 것도 아닐 텐데 어떻게 이게 가능한 건지 표면장력과 관련된 원리가 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 소금쟁이가 물 위를 걸을 수 있는 것은 몸이 물보다 가벼워서 뜨는 것이 아니라, 물의 표면장력과 소금쟁이의 특수한 다리 구조가 함께 작용하기 때문입니다.
물 분자들은 서로 강하게 끌어당기는 응집력을 가지고 있는데요, 물속에서는 한 물 분자가 사방의 다른 물 분자들에게 끌리지만, 물 표면에 있는 분자는 위쪽에 물 분자가 없기 때문에 상대적으로 아래쪽과 옆쪽으로 더 강하게 당겨집니다. 결과적으로 물 표면은 마치 얇은 탄성막처럼 행동하는데, 이것이 표면장력입니다.
소금쟁이가 물 위에 서면 다리가 물 표면을 살짝 아래쪽으로 휘게 만들지만 물 표면을 뚫지는 않는데요, 이때 물 표면의 표면장력이 소금쟁이의 다리를 위쪽으로 지탱하는 힘을 만들어 냅니다. 즉 소금쟁이의 중력과 표면장력에 의한 위쪽 힘이 균형을 이루면서 물에 빠지지 않는 것이라고 보시면 됩니다.
특히 소금쟁이의 다리는 이 현상에 매우 적합하게 진화했는데요, 다리가 길고 가벼우며, 물에 닿는 부분에는 미세한 털이 많이 나 있어 물을 잘 젖지 않게 하는 소수성 구조를 가지고 있습니다. 따라서 다리가 물에 닿더라도 물을 흡수하거나 물속으로 쉽게 가라앉지 않고, 긴 다리는 몸의 무게를 넓은 범위에 분산시켜 물 표면에 가해지는 압력을 줄여 줍니다. 감사합니다.
채택 보상으로 528베리 받았어요.
채택된 답변안녕하세요. 이상현 전문가입니다.
소금쟁이는 몸이 아주 가벼운데다가 다리에 발수성 털이 촘촘히 나있어, 물에 젖지 않습니다.
다리가 넓게 힘을 분산시키면서 물의 표면장력을 깨지않기때문에
물표면이 얇은 막처럼 몸을 받쳐주어서 걸어다닐 수 있습니다.
감사합니다.
안녕하세요, 직진만이살길님. 이중철 전문가입니다.
소금쟁이가 물에 가라앉지 않고 표면 위를 자유롭게 뛰어다닐 수 있는 비결은 물의 표면장력이라는 물리적 현상과 소금쟁이 다리에 숨겨진 독특한 나노 구조의 결합 덕분이에요. 물 분자들이 서로 끌어당기며 표면에 팽팽한 막을 형성하는 힘을 소금쟁이가 영리하게 이용하는 것인데요. 몸무게를 넓게 분산시키는 긴 다리와 물을 극도로 싫어하는 미세한 다리털이 물줄기를 밀어내며 빠지지 않게 받쳐주기 때문이랍니다.
1. 물 분자가 만드는 팽팽한 표면막, 표면장력의 원리
액체 상태의 물 분자들은 서로 강하게 끌어당기는 응집력을 가지고 있습니다. 물속 깊은 곳에 있는 분자들은 사방에서 다른 물 분자들에게 똑같은 힘으로 당겨지지만, 공기와 맞닿아 있는 표면의 물 분자들은 위쪽에는 당겨줄 분자가 없기 때문에 아래쪽과 옆쪽으로만 강한 인력을 받게 됩니다. 이로 인해 물 표면에는 가능한 표면적을 좁히려고 안쪽으로 수축하는 힘이 발생하는데, 이를 표면장력이라고 합니다. 고등학교 과학 시간에 배우는 이 표면장력 덕분에 물 표면은 마치 탄력이 있는 얇은 고무막이나 천막처럼 팽팽한 상태를 유지하게 되며, 가벼운 물체가 위에 올라왔을 때 아래로 뚫리지 않고 버틸 수 있는 기초적인 힘을 제공합니다.
2. 물을 극도로 밀어내는 수천 개의 미세한 나노 다리털
하지만 단순히 표면장력만으로는 소금쟁이의 무게를 완벽히 지탱하기 어렵습니다. 만약 소금쟁이의 다리가 물에 쉽게 젖는 성질을 가졌다면 물의 표면막을 깨뜨리고 아래로 가라앉았을 것입니다. 전자현미경으로 소금쟁이의 다리를 확대해 보면, 마이크로미터 크기의 아주 미세한 털들이 수천 개씩 촘촘하게 덮여 있는 초소수성 구조를 볼 수 있습니다. 게다가 이 미세한 털들에는 눈에 보이지 않는 더 작은 나노 크기의 홈들이 파여 있는데요. 이 홈들이 다리 주변에 아주 얇은 공기 주머니 층을 형성합니다. 이 공기층이 물을 강력하게 밀어내는 방수막 역할을 해 주기 때문에, 소금쟁이의 다리는 물에 전혀 젖지 않고 표면장력의 도움을 받아 물 위에 가볍게 얹혀 있을 수 있습니다.
3. 무게를 사방으로 분산시키는 긴 다리와 보행 기술
소금쟁이의 신체 구조 역시 물리적 압력을 최소화하도록 진화했습니다. 소금쟁이는 몸통에 비해 다리가 매우 긴 편인데, 이는 자신의 몸무게를 최대한 넓은 면적에 골고루 분산시키기 위한 정교한 구조입니다. 가느다란 다리로 물 표면을 누르면 표면장력 때문에 물 표면이 부드러운 쿠션처럼 아래로 오목하게 파이면서 뚫리지 않고 다리를 지탱해 줍니다. 소금쟁이는 이 상태에서 가운데 다리를 노처럼 저어 앞으로 나아가는데요. 이때 물의 표면막을 찢지 않고 물 표면에 미세한 소용돌이를 만들어내며 그 반작용으로 가볍게 활공하듯 미끄러져 나아가는 뛰어난 보행 기술을 보여줍니다.
정리하자면,
소금쟁이가 물 위를 걸어 다닐 수 있는 이유는 물 분자들의 인력으로 인해 표면이 팽팽한 고무막처럼 버티는 표면장력 현상이 존재하기 때문이며, 소금쟁이의 다리에 돋아난 수천 개의 미세한 털과 그 사이에 형성된 공기층이 물을 강력하게 밀어내는 초소수성 방수 효과를 내고, 가늘고 긴 다리를 통해 몸무게를 넓은 표면적에 효과적으로 분산시키면서 물의 표면막을 깨뜨리지 않고 정교하게 노를 젓는 생물학적 보행 메커니즘이 결합한 결과입니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
결론부터 말씀드리면 말씀하신 것처럼 소금쟁이는 표면장력을 이용하여 물 위에 섭니다.
물 분자들이 서로 끌어당기며 표면적을 줄이려는 강한 응집력이 있는데, 그것이 표면장력입니다. 그리고 수면의 물 분자들은 내부로 끌려 들어가 팽팽한 고무막 같은 힘을 형성합니다.
그리고 소금쟁이 다리에는 수천 개의 미세한 털이 촘촘히 나 있고, 이 미세모 사이에 공기가 갇히고 기름 성분이 코팅되어 물에 전혀 젖지 않습니다.
또한 긴 다리를 넓게 벌려 작은 몸무게를 수면에 넓게 분산시킵니다.
그래서 앞서 말씀드린 물의 특징와 소금쟁이의 신체적 특징으로 인해 다리가 수면을 누르면 물이 뚫리지 않고 오목하게 휠 뿐입니다. 또 오목해진 수면의 표면장력이 소금쟁이를 위로 밀어 올리는 복원력이 됩니다.
결론적으로 강한 방수 털과 체중 분산으로 표면장력막을 깨지 않고 물 위를 걸을 수 있는 것입니다.