비눗방울

3. 원리

비눗방울이 둥근 형태를 유지하는 것은 표면장력 때문이다. 표면장력이란 액체의 표면이 스스로 수축하여 가능한 작은 면적을 가지려는 힘을 말한다. 액체가 기체와 접하는 표면을 자유표면이라고 하며, 장력은 물체 안의 임의의 면에서 양쪽 부분이 서로를 면에 수직으로 끌어당기는 힘이다.

비눗방울은 극소 곡면의 물리적인 예시로, 주어진 부피를 포함하는 최소의 표면적 형태를 취한다. 1884년에 H. A. 슈바르츠는 구형 비눗방울이 주어진 부피의 공기를 가두는 최소 면적 방법임을 증명했다.^[1] 2000년에는 두 개의 합쳐진 비눗방울이 서로 다른 크기의 두 개의 주어진 부피의 공기를 최소 표면적으로 가두는 최적의 방법임을 증명했는데, 이를 ''이중 비눗방울 추측''이라고 한다.^[1]

구조 기술자 프라이 오토는 비눗방울 막을 이용하여 여러 점 사이에 퍼지는 최소 표면적 시트의 기하학을 결정하고, 이를 혁신적인 인장 구조로 변환했다.^[2]

3. 1. 표면 장력과 극소 곡면

3. 2. 플라토 법칙

3. 3. 안정성

• 비누 막 내의 배수: 물은 중력에 의해 아래로 떨어진다. 이는 글리세롤을 첨가하여 물의 점도를 높임으로써 늦출 수 있다. 그래도 비눗방울의 경우 매우 높은 모세관 길이인 약 4m라는 높이 제한이 있다.
• 증발: 젖은 환경에서 비눗방울을 불거나 물에 설탕을 첨가하여 증발을 늦출 수 있다.
• 먼지와 지방: 비눗방울이 물체에 닿으면 일반적으로 비누 막이 파열된다. 이러한 표면을 물(가급적 비누가 포함된)로 적셔주면 이를 방지할 수 있다.

이는 마랑고니 효과를 최소화했기 때문이다.^[6]

3. 4. 젖음

3. 5. 부유 (Floatation)

4. 제작 방법

일반적으로 비누 등의 수용액(비눗물)에 빨대와 같은 가는 관의 한쪽 끝을 담가 입구에 얇은 막을 만든다. 가는 관을 들어 올려 다른 쪽 입으로 바람을 불어넣어 막을 부풀려 비눗물 구체를 만든다. 더 세게 불거나, 가는 관을 적당히 움직여 비눗물로 된 구를 떼어내면 비눗방울을 공중에 띄울 수 있다. 부는 방법에 따라 큰 비눗방울을 조금 만들거나, 비교적 작은 비눗방울을 많이 만들 수도 있다.

4. 1. 재료

한 산업 추산에 따르면, 소매업체는 연간 약 2억 병의 비눗방울 용액을 판매한다.

비눗방울을 만들기 위한 도구는 다음과 같다.

• 비눗물: 시판 제품도 있지만, 비누(주방용 중성 세제), 폴리비닐 알코올, 글리세린, 설탕, 검 시럽 등을 물로 희석하여 직접 만들 수도 있다. 가정용 액체 세제만으로도 제작 가능하다. 비눗방울을 오래 유지하기 위한 배합 방법이 몇 가지 고안되어 있다.^[2]
• 빨대: 입으로 불어 비눗방울을 생성하는 도구이다. 시판되는 것도 있다.^[2]
• 틀: 입으로 부는 방법 외에 철사로 만든 틀에 비눗막을 붙여, 그 틀을 움직이거나 입으로 불어 비눗방울을 날리는 방법도 있다. 비눗물을 많이 스며들게 하기 위해, 틀에 털실 등을 감는 경우가 많다.^[2]

4. 2. 도구

빨대를 이용하여 비눗물에 얇은 막을 만든 후, 바람을 불어 비눗방울을 만들 수 있다. 부는 방법에 따라 크고 작은 비눗방울을 다양하게 만들 수 있다.

비눗방울을 만드는 데 사용되는 도구는 다음과 같다.

• '''빨대''': 입으로 불어 비눗방울을 만드는 도구이다.
• '''틀''': 철사 등으로 만든 틀에 비눗물을 묻혀 사용한다. 틀을 움직이거나 입으로 불어 비눗방울을 만든다. 틀에 털실 등을 감아 비눗물이 잘 스며들게 하기도 한다.
• '''버블건''': 방아쇠를 당기거나 손잡이를 돌리면 많은 비눗방울이 나오는 장치이다.
• '''비눗방울 발생 장치''': 행사나 무대 등에서 대량의 비눗방울을 자동으로 만들어 날리는 장치이다. 주변에 영향을 주지 않기 위해 물만으로 거품을 발생시키는 특수 장치도 있다.

5. 응용

비눗방울은 교육, 과학 실험, 건축 등 다양한 분야에서 응용된다.

교육 분야에서 비눗방울은 어린 아이들에게 유연성, 색 형성, 반사, 오목 및 볼록 표면, 투명성, 다양한 모양, 탄성, 크기 비교 등 여러 개념을 가르치는 데 효과적이다.^[15] 나탈리 하르첼 박사는 비눗방울 놀이가 아이들의 운동 기술과 협응력을 담당하는 뇌 영역 발달에 긍정적인 영향을 미친다는 이론을 제시했다.^[15]

과학 실험에서 수소를 채운 비눗방울은 연소 시 큰 폭발음을 내는 현상을 보여준다. (단, 수소 발생원에 불이 붙지 않도록 주의해야 한다.) 정전기를 이용하면 장갑을 낀 손으로 비눗방울을 풍선처럼 다룰 수 있으며, 빙점 이하 온도에서는 비눗방울 막이 어는 현상도 관찰할 수 있다.

프라이 오토는 비눗방울의 최소 표면적 원리를 이용하여 혁신적인 인장 구조를 설계했으며, 몬트리올 엑스포 67의 서독 파빌리온이 그 예시이다.^[2] 비눗방울 막은 복잡한 시스템에서 아날로그 컴퓨터로 활용되기도 한다.^[3][4][5]

5. 1. 놀이 및 예술

1886년 런던의 A. & F. 피어스는 존 에버렛 밀레이의 비눗방울 놀이를 하는 아이 그림을 사용하여 비누 광고 캠페인을 벌였다. 1940년대에는 시카고 회사인 Chemtoy가 비눗방울 용액을 판매하기 시작했고, 이후 비눗방울 용액은 아이들에게 큰 인기를 얻었다. 업계 추산에 따르면 소매업체는 연간 약 2억 병의 비눗방울 용액을 판매한다. 주방 세제에 물과 글리세린, 설탕 등을 첨가하여 비눗방울 용액을 직접 만들기도 한다.

비눗방울 공연은 예술과 오락을 결합한 것으로, 고도의 기술이 필요하다. 일부 공연자는 시판 비눗방울 액체를 사용하지만, 자신만의 용액을 만들어 쓰는 공연자도 있다. 어떤 예술가들은 거대한 비눗방울이나 튜브를 만들어 물체나 사람을 감싸기도 한다. 또 다른 예술가들은 큐브, 사면체 등 다양한 모양과 형태의 비눗방울을 만들기도 한다. 때로는 비눗방울을 맨손으로 다루기도 하며, 시각적 효과를 위해 연기, 증기, 헬륨을 채우거나 레이저 조명, 불과 결합하기도 한다. 천연 가스와 같은 가연성 가스로 비눗방울을 채워 불을 붙이기도 한다.^[1]

세계적인 버블 아티스트로는 톰 노디, 판 양, 놀라운 버블 맨 등이 있다.^[2]

5. 2. 교육

비눗방울은 어린 아이들에게도 광범위한 개념을 효과적으로 가르치고 탐구하는 데 사용될 수 있다. 유연성, 색상 형성, 반사 또는 거울 표면, 오목 및 볼록 표면, 투명성, 다양한 모양(원, 사각형, 삼각형, 구, 정육면체, 사면체, 육각형), 탄성, 비교 크기, 그리고 이 페이지에 나열된 비눗방울의 더욱 난해한 특성들을 가르칠 수 있다.^[15] 비눗방울은 2세부터 대학교까지 개념을 가르치는 데 유용하다. 스위스 대학교의 나탈리 하르첼 박사는 어린 아이들의 오락 목적으로 인공 비눗방울을 사용하는 것이 운동 기술 및 협응력을 담당하는 아이의 뇌 영역에 긍정적인 영향을 미쳐, 어릴 때 비눗방울에 노출된 아이들이 그렇지 않은 아이들보다 더 나은 운동 기술을 보인다는 이론을 세웠다.^[15]

5. 3. 과학 실험

비눗방울 막은 구체뿐만 아니라 철사 틀 안에서처럼 사실상 어떤 모양으로든 닫힐 수 있다. 따라서 매우 다양한 최소 면을 설계할 수 있다. 실제로는 비눗방울 막을 수학적 모델링으로 계산하는 것보다 물리적으로 만드는 것이 더 쉬울 때도 있다. 이것이 비눗방울 막이 시스템의 복잡성에 따라 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어난 아날로그 컴퓨터로 간주될 수 있는 이유이다.^[3][4][5]

• 과학 실험 등에서 수소의 연소를 보여줄 때, 수소 봄베를 사용하여 금속판 등의 위에 수소 채운 비눗방울을 만들고 점화하면 큰 폭발음을 내며 연소한다. 수소 발생원에 '''인화'''에 주의해야 한다.
• 후프 등을 이용하여 비눗방울 안에 들어갈 수도 있다.
• 장갑을 착용한 상태로 가볍게 준비 운동을 하는 등 정전기를 일으켜, 비눗방울을 풍선처럼 능숙하게 만질 수 있다.
• 비눗방울은 빙점 아래로 내려가면 표면의 얇은 비누막이 얼게 된다. 이 때문에 작은 것은 거의 예쁘게 둥근 채로 얼어 떨어진다. 또한 기온, 기압, 성질 등의 이유로 비교적 큰 것은 만들기 어렵다(만들려고 하면 도중에 파열되어 얇은 비누막이 흩날린다).

5. 4. 첨단 기술 연구

비눗방울의 최소 표면적 원리는 건축, 구조 설계 등에 응용될 수 있다. 구조 기술자 프라이 오토는 여러 점 사이에 퍼지는 최소 표면적 시트의 기하학을 결정하기 위해 비눗방울 막을 사용했으며, 이 기하학을 혁신적인 인장 구조로 변환했다.^[2] 몬트리올 엑스포 67에서 그의 서독 파빌리온이 유명한 예시이다.

비눗방울 막이 만드는 구조는 구체뿐만 아니라 철사 틀 안에서처럼 사실상 어떤 모양으로든 닫힐 수 있다. 따라서 매우 다양한 최소 면을 설계할 수 있다. 실제로는 비눗방울 막을 수학적 모델링으로 계산하는 것보다 물리적으로 만드는 것이 더 쉬울 때도 있다. 이것이 비눗방울 막이 시스템의 복잡성에 따라 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어난 아날로그 컴퓨터로 간주될 수 있는 이유이다.^[3][4][5]

6. 특수 비눗방울

특수 비눗방울에는 여러 종류가 있다.
색깔 비눗방울

• 바이런, 멜로디 & 이노크 스웨틀랜드는 UV 조명 아래에서 빛나는 특허받은 무독성 비눗방울(Tekno Bubbles)을 발명했다.^[12] 이 비눗방울은 일반 조명에서는 투명하지만, UV 빛을 받으면 빛난다.
• 일반 염료는 비누 분자가 아닌 물 분자에 붙기 때문에, 색깔 있는 염료를 넣어도 색깔 비눗방울이 만들어지지 않는다. 람 사브니스 박사는 비누 분자에 붙어 밝은 색을 내는 락톤 염료를 개발했다. 크리스탈 바이올렛 락톤이 그 예이다.
• 팀 키호는 압력이나 산소에 노출되면 색깔을 잃는 비눗방울을 발명하여 Zubbles라는 이름으로 판매하고 있으며, 무독성이며 얼룩이 지지 않는다.
• 2010년, 일본 우주 비행사 야마자키 나오코는 미세 중력 환경에서 색깔 비눗방울을 만들 수 있음을 보여주었다.

• -15°C 이하의 온도에서 비눗방울을 불면 표면에 닿으면서 얼어붙는다. 내부 공기는 확산되어 빠져나가고, 비눗방울은 자체 무게로 찌그러져 부서진다.
• -25°C 이하에서는 공중에서 얼어 땅에 떨어지면서 부서질 수 있다. 따뜻한 공기로 불면 처음에는 거의 완벽한 구형으로 얼지만, 공기가 식으면서 부피가 줄어들어 부분적으로 찌그러진다.
• 매우 낮은 온도에서 만들어지는 비눗방울은 작고 빠르게 얼며, 크게 만들면 부서진다.^[13]
• 작은 비눗방울은 눈 위에 놓은 후 2초 안에 얼어붙는다(기온 약 -10°C~-14°C).^[14]

6. 1. 색깔 비눗방울

6. 2. 얼어붙는 비눗방울

6. 3. 만질 수 있는 비눗방울

6. 4. 사람이 들어갈 수 있는 비눗방울

참조

_[1] 논문 Proof of the double bubble conjecture 2000-07-17
_[2] 뉴스 Jonathan Glancey, The Guardian November 28, 2012 https://www.theguard[...] The Guardian 2012-11-28
_[3] 논문 The Soap Film: An Analogue Computer
_[4] 논문 The Soap Film: An Analogue Computer
_[5] 논문 Soap Film Letters
_[6] 뉴스 What’s the best recipe for bubble mixture? Scientists have the answer https://www.newscien[...] New Scientist 2022-09-22
_[7] 논문 Contact angle of a hemispherical bubble: An analytical approach http://centaur.readi[...]
_[8] 논문 Wetting of soap bubbles on hydrophilic, hydrophobic, and superhydrophobic surfaces
_[9] 논문 M.A.C. Teixeira, S. Arscott, S.J. Cox and P.I.C. Teixeira, Langmuir 31, 13708 (2015) http://pubs.acs.org/[...]
_[10] 웹사이트 O despertar da bolha https://ciencias.uli[...] 2016-02-09
_[11] 웹사이트 Blow the Biggest Bubbles https://www.scientif[...]
_[12] 웹사이트 Interview with Byron and Melody Swetland - The Inventors of Tekno Bubbles http://inventors.abo[...] Inventors.about.com 1999-10-05
_[13] 사진첩 Frozen Frosted Fun http://hopecarter.ph[...] 2014
_[14] 사진 Freezing soap bubbles on snow https://plus.google.[...] 2017-01-23
_[15] 논문 The Structure of Singularities in Soap-Bubble-Like and Soap-Film-Like Minimal Surfaces
_[16] 문서 16세기 스페인어에서의 비누 단어 jabón
_[17] 서적 日本遊戯史 第一書房 1983-10
_[18] 서적 カラー図説 日本大歳時記 座右版 講談社 1983
_[19] 뉴스 学研が危険な付録 中性洗剤のシャボン玉 中國新聞 1971-07-27