논리적 사고

유리관이 가늘수록 물은 왜 더 높이 올라갈까?

물과 관벽이 만나는 각도를 정하고, 반지름을 바꾸며 물기둥의 무게와 표면 장력이 이루는 평형을 계산합니다.

그림에서 무엇을 볼까요?

같은 물과 접촉각 0도에서 반지름 0.5밀리미터의 수면 차이 2.97센티미터와 0.25밀리미터의 5.94센티미터를 비교한 모형

가는 유리관을 물에 세우면 관 안의 수면이 바깥 수면보다 높아질 수 있습니다. 액체와 관벽의 성질에 따라 가는 관에서 수면이 오르거나 내려가는 현상을 모세관 현상이라고 합니다. 여기서 높이 h는 관 바닥부터 잰 전체 물길이가 아니라, 관 안팎 수면의 높이 차이입니다.

물 분자끼리 끌어당기는 힘과 물·관벽 사이의 상호작용이 수면의 모양에 영향을 줍니다. 표면 장력 γ는 액체 표면의 길이당 힘으로 나타냅니다. 접촉각 θ는 관벽과 수면의 접선이 만나는 각도를 액체 쪽에서 잰 값입니다. 활동에서는 이 각도를 조건으로 직접 선택합니다.

반지름 0.5밀리미터·접촉각 0도의 높이를 확인하고, 반지름만 0.25밀리미터로 바꿉니다. 반지름을 유지한 채 접촉각을 60·90·120도로 바꾸며 높이의 크기와 부호를 설명합니다. 초기화한 뒤 반지름 두 배와 높이 절반의 관계를 다시 예측합니다.

반지름과 접촉각 중 하나만 바꾼 두 실험을 골라, 유지한 조건·바꾼 조건·높이의 변화를 적으세요.