[디지털비즈온 이호선 기자] 레오나르도 다빈치의 500년 된 '패러독스'가 마침내 해결됐다고 연구 결과가 나왔다.

인류역사를 바꾼 천재중에 가장 창의적인 인물 레오나르도 다빈치(Leonardo da Vinci) 는 500년 전에 큰 크기의 기포가 액체 표면으로 직선으로 떠오르지 않는다는 것을 관찰했다. 오히려 그는 주기적인 지그재그 또는 나선형 운동으로 이동한다고 역설했다.

쉽게 설명하면, 탄산수병을 열어 본 사람이라면 누구나 알 수 있다. 다빈치도 탄산수 애호가도 알 수 없는 것은 거품이 왜 그렇게 불규칙하게 움직이는가 하는 의문점이다.

수세기 동안 아무도 "레오나르도의 역설" 이라고 불리는 물을 통과하는 일부 기포의 운동에서 이 이상한 주기적인 편차에 대해 만족스러운 설명을 제공하지 못했다.

마침내 스페인 세비야 대학의 미구엘 앙헬 헤라다 교수와 잉글랜드 브리스톨 대학의 젠스 G. 에거스 교수는, 물 속에서 거품이 일어나는 불안정한 움직임을 설명하는 시뮬레이션을 개발하여 오랜 수수께끼를 마침내 풀 수 있었다.

연구논문은 “물 속에서 떠오르는 기포의 경로 불안정성” 으로 국립 과학 아카데미 회보에 발표했다고 미국 매체 VICE News 가 19일 보도했다.

결과는 기포가 주변의 물 흐름과 모양의 미묘한 변형 사이의 상호 작용으로 인해 기포를 새롭고 불안정한 경로로 밀어내는 임계 반경에 도달할 수 있음을 시사했다.

과학자들은 "물 속의 기포의 움직임은 화학 산업에서 환경에 이르기까지 광범위한 자연 현상에서 중심적인 역할을 한다.“ 면서 "단일 거품의 부력 상승은 실험적으로나 이론적으로 많이 연구된 패러다임 역할을 했다."고 설명했다.

"그러나 이러한 노력에도 불구하고 엄청난 컴퓨팅 성능의 가용성에도 불구하고 물 속의 변형 가능한 기포에 대한 전체 유체 역학 방정식의 수치 시뮬레이션과 실험을 조화시키는 것은 불가능했다."고 설명했다.

그러면서 “이것은 충분히 큰 기포가 직선을 따라 상승하는 대신 주기적인 운동을 수행한다는 레오나르도 다빈치의 흥미로운 관찰에 특히 해당된다.”고 밝혔다.

물 속에서 상승하는 기포는 유체 점성, 표면 마찰 및 주변 오염 물질과 같은 교차하는 힘의 영향을 받아 기포의 모양을 뒤틀고 주변을 흐르는 물의 역학을 변화시킨다.

다빈치가 지적한 것과 그 이후로 다른 과학자들이 확인한 것은 1밀리미터보다 훨씬 작은 구형 반경을 가진 기포는 물을 통해 곧은 위쪽 경로를 따르는 경향이 있는 반면, 더 큰 기포는 주기적인 나선형 또는 지그재그를 초래하는 흔들림을 발생시킨다는 것 이었다.

연구팀은 점성 유체의 움직임을 설명하기 위한 수학적 프레임워크인 나비에-스토크스 (Navier-Stokes) 방정식을 사용하여 기포와 물 매체 사이의 복잡한 상호 작용을 시뮬레이션 했다.

연구팀은 이 기울기를 유발하는 구형 반경(0.926밀리미터)을 정확히 찾아내고 구불구불한 움직임 뒤에 가능한 메커니즘을 설명할 수 있었다.

임계 반경을 초과한 기포는 더 불안정해지고 기포의 곡률을 변경하는 기울기를 생성한다.

곡률의 변화는 기포 표면 주위의 물의 속도를 증가시켜 흔들림 운동을 시작했다. 기포는 휘어진 형태의 변형으로 인한 압력 불균형으로 인해 원래 위치로 돌아가고 이 과정을 주기적인 주기로 반복했다.

500년 된 역설을 해결하는 것 외에도 새로운 연구는 거품의 변덕스러운 행동에 대한 다른 질문과 쉽게 분류할 수 없는 다른 물체에 대해 밝힐 수 있었다.

"이전에는 기포의 후류가 불안정해진다고 믿었지만 이제 우리는 흐름과 기포 변형 사이의 상호 작용을 기반으로 하는 새로운 메커니즘을 시연했다."라고 연구에서 결론을 내렸다.

연구팀은 "이것은 고체와 기체 사이 어딘가에 있는 입자를 모방하는 대부분의 실제 환경에 존재하는 작은 오염에 대한 연구의 문을 열어주었다." 고 덧붙였다.