연구원들은 유체 역학의 미스터리를 해결하다

유체 시스템의 복잡성을 보여주는 것으로 시작된 것이 American Physical Society's Gallery of Fluid Motion의 예술 작품이 되었고, 궁극적으로 연구자들이 방금 푼 자체 퍼즐이 되었습니다. 그들의 새로운 연구는 저널 Physical Review Letters 에 게재되었습니다.

"우리는 항력 감소 문제에 대해 특정 효과가 발생한다는 것을 사람들에게 확신시키는 데 어려움을 겪고 있어서 이 실험을 생각해냈습니다."라고 기계 공학 조교수인 파올로 루차토-페기스 조교수가 말했습니다. 그의 연구 전문 분야는 흐름 모델링과 항력 조사(즉, 유체 속을 이동하는 고체 물체에 작용하는 저항력)입니다.

루차토-페기스는 "우리는 이것이 어떻게 작동하는지에 대한 가설을 가지고 있었습니다."라고 말했습니다.

"그리고 이 논문은 실제로 그 현상에 대한 수학적 모델을 제시합니다."

UCSB 공학과 교수인 프레데릭 기부와 프린스턴 대학, 영국의 맨체스터 대학, 프랑스의 렌 대학의 협력자로 구성된 연구 그룹이 특히 관심을 가진 점은, 잉크가 좀 더 일반적인 방식으로 확산될 것이라고 직감적으로 생각할 때보다 오히려 이상한 방식으로 올바른 방향을 "선택"하고 그 방향으로 움직일 수 있는 잉크의 능력이었습니다.

표면 장력(유체 표면의 분자들이 서로 끌어당겨 막처럼 작용하여 외부 힘에 저항하는 원인)은 이 잉크와 우유 실험에서 중요한 역할을 합니다.

비누(표면 장력을 감소시키는 물질 또는 계면활성제)는 잉크 주변의 국부적 장력을 감소시켜 움직임을 생성합니다.

그러나 연구자들의 계산에 따르면, 우유에 이미 존재하는 계면활성제가 잉크/비누 혼합물이 미로를 푸는 데 도움이 됩니다.

루차토-페기즈는 "추가된 계면활성제와 기존 계면활성제가 함께 작용하게 됩니다."라고 말했습니다.

그는 우유에 이미 들어 있는 내인성 계면활성제가 미로를 통과할 때 잉크와 비누를 밀어내는 다양한 저항 환경을 만들어낸다고 설명했습니다.

연구자들에 따르면, 막다른 길과 작은 공간은 더 강하게 밀어내는 반면, 출구가 있는 가장 넓은 표면적을 가진 경로는 저항이 가장 적은 경로입니다.

"즉, 추가된 계면활성제는 미로의 배치를 즉시 알게 됩니다."라고 루차토-페기즈는 말했습니다.

이 연구는 잉크/비누의 움직임을 주도하는 힘에 대한 이전 연구를 보완합니다. 마랑고니 효과라고 불리는 이 효과는 표면 장력의 기울기가 있을 때 발생하는 것으로, 추가된 계면활성제에 의해 도입된 것과 같은 것으로, 액체가 표면 장력이 낮은 영역에서 표면 장력이 높은 영역으로 끌려가는 결과를 낳습니다.

이 효과는 아직 연구되지 않은 "새로운 결과"이며, 연구에 따르면 "폐 기도와 같은 복잡한 네트워크에서 계면활성제 주도 수송"을 포함하는 응용 분야 및 프로세스와 관련이 있을 수 있으며 "복잡한 시스템에서 약물 전달 또는 유체 수송을 위한 개선된 전략에 영감을 줄 수 있습니다."


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250203182222.htm

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