granular convection, brazil nut effect
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1. 개요
크기가 다양한 고체 입자들이 섞인 것을 장시간 흔들 경우, 얼핏 보기에는 잘 섞인 것처럼 보이지만 결국 알갱이가 큰 입자들이 맨 위 표면으로 떠오르게 되는 현상을 말한다. 영국의 물리학자 마이클 패러데이가 처음 발견하였다.
주위에서 흔하게 볼 수 있는 현상으로, 시리얼을 그릇에 부었을 때나 각종 잡곡을 섞어서 운반할 때 볼 수 있으며, 그리고 특히 서양인들이 자주 먹는 혼합견과류 캔의 뚜껑을 열 때마다 항상 덩치가 큰 브라질 땅콩이 맨 위로 올라가 있어서 이런 이름이 붙었다. 합금을 제외한 고체 상태의 용액이 존재하지 않는 이유이기도 하다.
사소하고 별것 아닌 것처럼 보이지만, 처음 발견된 이후 이 현상이 일어나는 이유에 대한 명쾌한 해답을 얻지 못하고 있는 난제 중 하나이다. 이러저러한 가설은 나왔지만 아직 완전히 증명된 이론은 없는, 의외로 현대 과학으로 완전히 해명하지 못한 현상. ' 파론도의 역설'(Parrondo's paradox)[1]과도 관련 있다고도 한다.
일반적으로 "큰 알갱이 사이의 공간으로 작은 알갱이는 내려갈 수 있지만, 작은 알갱이 사이의 공간으로 큰 알갱이가 내려갈 수는 없으니까."라는 결론을 내리기 쉽지만, 특정 상황에서 큰 입자가 가라앉고 작은 입자가 떠오르는 현상인 역 브라질 땅콩 효과가 존재한다. 이러한 역효과가 발생하는 조건 및 두 현상이 같은 원리로 일어나는 다른 현상이란 증거는 명확하게 밝혀지지 않았다. 원리를 파볼 사람이 있다면 괜히 그 둘을 묶어서 복잡하게 생각하지 말자.[2]
위 실험에서 8 mm 유리구슬과 15 mm 폴리프로필렌을 사용한 a에선 브라질 땅콩 효과가 성립하지만 10 mm 구리와 4 mm 유리구슬을 적용한 b에선 역 브라질 땅콩 효과가 관찰된다. 참고로 폴리프로필렌의 밀도는 0.9 g/㎤, 유리의 밀도는 2.5 g/㎤, 구리의 밀도는 8.94 g/㎤ 정도이다.
2. 역사
시카고의 하인리히 재거 교수의 연구팀이 1996년에 MRI를 이용해서 그 과정을 밝혀냈다.3. 실제 사례
한국에서는 주로 보리밥 짓기 전에 쌀과 보리를 섞어놓은 통을 주변에서 살살 치면서 관찰하면 크기가 큰 보리쌀이 표면으로 떠오르는 것을 확인할 수 있다. 이때 중력은 밑으로 작용하지만, 큰 알갱이는 위로 떠오르는 것을 보면 마치 중력을 무시하는 것처럼 보일 수도 있다. 그 외에도 우유에 타먹는 코코아 믹스의 설탕과 코코아 파우더의 경우 기타 성분들이 분리되어 점점 쓰게 느껴지는 것으로도 확인 가능하다. 차를 담아둔 통에서 찻잎을 덜어 먹다 보면 위에는 멀쩡한 찻잎만 있는데 밑바닥엔 부서져서 가루가 된 찻잎이 잔뜩 있는 경우라던지, 그래놀라를 먹다 보면 바닥에 작은 오트밀 조각만 잔뜩 남아있는 경우도 이 때문이다.모래와 흙, 자갈 따위의 건축자재, 곡식, 제약회사의 약품, 분유, 설탕을 비롯한 알갱이로 되어있는 혼합물[3] 등은 모두 이 현상을 피해 갈 수 없으므로 주기적으로 섞어주는 과정을 거쳐야만 한다. 레미콘의 드럼이 콘크리트를 담고 나면 계속 돌아야 하는 이유도 이 때문이다. 시리얼 회사를 비롯해 위에 설명한 것들을 파는 회사는 브라질 땅콩 효과를 막기 위해 계속 섞어주는 일에 매년 엄청난 돈을 쓰고 있다.
군대에서 우유에 건빵을 말아먹기 위해 건빵을 골고루 부수려고 살살살 흔들 때도 이 현상이 일어난다. 그리고 카라멜콘과 땅콩을 사면 항상 땅콩이 밑에만 몰려있다.
일상 생활에서 가장 흔히 볼 수 있는 사례는 믹스커피이다. 종이컵에 커피믹스를 뜯어 넣으면 설탕이 마지막에 나오기 때문에 맨 위에 설탕 가루가 덮이지만, 살살 흔들면 설탕과 프림은 밑으로 가라앉고 상대적으로 크기가 큰 커피 입자가 위로 올라오는 것을 볼 수 있다.
레고를 많이 갖고 있는 애들은 안 배워도 알고 있다고 한다. 레고는 큰 통에 담아두면 어째 큰 조각만 올라오고 피규어를 조립할 작은 조각은 밑으로 내려가기 때문.
우리나라에서는 정재승 현 KAIST 부교수의 저서인 '과학 콘서트'를 통해 이 현상이 많이 알려졌는데 그 이전에도 과학동아와 어린이 과학동아 잡지에서 다룬바 있다.
이 현상을 이용한 마술도 있는데 먼저 맨 밑에 팝콘 몇 알을 넣고 그 다음에 옥수수 알갱이들을 쏟아부은 뒤에 흔들어내면 옥수수 사이에서 팝콘이 솟아오르는 모습을 볼 수 있다.
눈 덮인 산을 등반하는 사람들은 이 브라질 땅콩 현상의 원리를 이용해 눈사태로 인해 눈에 파묻혀도 몸집이 커져 표면으로 올라올 가능성을 높이기 위해 부풀어오르는 장치를 착용한다고 한다. 눈사태라는 것 자체가 눈과 같이 떠밀려온 여러 잔해들이 쓸려가면서 흔드는 것과 비슷한 현상을 일으킨다고 볼 수 있겠다.
4. 관련 문서
[1]
지는 게임 2개를 잘 조합했더니 오히려 이기는 게임이 된다는
게임 이론의 역설.
[2]
비상교육의 중학교 3학년 과학 교과서에는 브라질 땅콩 효과에 대해서 설명하는 글이 실려있다. 그런데 역 브라질 땅콩 효과에 대한 내용은 없다.
[3]
여기서 알갱이의 크기는 1 µm급 이상으로 열운동을 무시할 수 있는 큰 입자.