공동현상

3. 캐비테이션의 종류

공동현상은 발생 원인, 형태, 지속 시간 등 다양한 기준에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.

'''관성 캐비테이션'''(en)은 액체 내 압력이 급격히 낮아져 증기로 채워진 빈 공간, 즉 캐비티(en)가 형성되었다가 주변 압력이 다시 높아지면서 급격하게 붕괴하는 현상을 말한다. 이 과정은 19세기 후반 액체 내 구형 공간의 붕괴를 연구하면서 처음 관찰되었다. 캐비티는 진공 상태가 아니라 낮은 압력의 증기로 채워져 있다. 기포가 붕괴할 때는 주변 액체가 안쪽으로 빠르게 밀려 들어오면서 엄청난 운동량을 갖게 되고, 기포 중심의 증기 압력과 온도를 급격하게 상승시킨다. 붕괴 순간에는 기포 내부 온도가 수천 켈빈(K)에 달하고 압력은 수백 기압에 이를 수 있으며^[4], 이 에너지는 충격파나 빛의 형태로 방출된다. 이러한 캐비테이션이 시작되려면 일반적으로 액체 내의 미세한 불순물이나 용해되지 않은 작은 기포와 같은 핵생성 지점이 필요하다.^[6][7] 관성 캐비테이션은 끓음과 유사하게 액체가 기체로 변하는 현상이지만, 끓음이 온도 상승으로 포화 온도에 도달하여 발생하는 것과 달리, 캐비테이션은 온도는 일정하더라도 압력이 증기압 이하로 낮아질 때 발생한다는 점에서 차이가 있다.^[5]

'''비관성 캐비테이션'''(en)은 액체 속 기포가 음향장과 같은 외부 힘에 의해 진동하지만, 완전히 붕괴하지는 않는 경우를 말한다. 기포는 팽창과 수축을 반복하며 비교적 안정적인 상태를 유지한다. 이 형태의 캐비테이션은 관성 캐비테이션에 비해 기포 붕괴 시 발생하는 충격이 훨씬 약하기 때문에, 표면 침식(en)을 거의 일으키지 않는다. 이러한 특성을 이용하여 실리콘 웨이퍼와 같이 손상되기 쉬운 재료의 정밀 세척 등에 활용된다.

발생 원인에 따라서도 캐비테이션을 분류할 수 있다.

• '''수력 캐비테이션'''(en): 액체가 빠르게 흐르면서 국소적인 압력 변화를 겪을 때 발생한다. 예를 들어, 좁은 통로(오리피스나 벤튜리 관 등)를 통과하거나 프로펠러 날개 표면을 지날 때 유속이 빨라지면 베르누이 원리에 따라 압력이 낮아져 캐비테이션이 발생할 수 있다. 유속과 압력 조건에 따라 초기 발생, 발달된 흐름, 초공동현상(en), 초크 흐름(en) 등 다양한 흐름 패턴이 나타난다.^[9] 수력 캐비테이션은 수처리, 에너지 수확, 열전달 향상, 식품 가공 등 다양한 산업 공정에 응용된다.^[8][19] 제어되지 않으면 손상을 일으키지만, 제어된 캐비테이션은 화학 반응을 촉진하거나 새로운 반응 경로를 제공하기도 한다.^[10]
• '''음향 캐비테이션'''(en): 강한 음향장, 특히 초음파에 의해 액체 내 압력이 주기적으로 변하면서 발생한다. 초음파의 강도가 충분히 높으면 액체 내 미세 기포가 격렬하게 진동하다가 관성 캐비테이션처럼 붕괴할 수 있다. 고출력 초음파 장비는 이러한 원리를 이용하여 균질화, 분산, 세척, 유화, 음향화학 반응 등에 활용된다.
• '''광학 캐비테이션'''(en) 및 '''전기 방전 캐비테이션''': 강한 레이저 펄스나 스파크 방전과 같이 국소적으로 높은 에너지를 집중시켜 액체를 순간적으로 끓게 만들어 캐비테이션 기포를 생성하는 방식이다. 주로 실험실 환경에서 캐비테이션 기포의 생성 및 소멸 과정을 연구하는 데 사용된다.

3. 1. 2차원 수중익 및 프로펠러의 캐비테이션

• '''얇은층 공동현상''' (en): 비교적 크지 않은 받음각으로 작동하는 날개 뒷면에 생기는 낮은 압력 때문에, 날개 앞쪽 가장자리에서 시작하여 얇은 막이나 층 형태로 발생하는 공동현상이다. 선박 프로펠러에서는 날개 앞쪽 가장자리 부근에서 발생하는 막 모양의 공동현상으로 나타나기도 한다. 이 형태는 대체로 안정적이지만, 공동(en) 부피 변화는 선체 진동의 주요 원인이 될 수 있다.
• '''기포형 공동현상''' (en): 고속선 프로펠러처럼 날개 두께가 비교적 두껍고 받음각이 작을 때, 날개에서 두께가 최대인 지점 근처에서 발생하는 기포 형태의 공동현상이다. 기포 모양의 공동이 날개 표면을 따라 이동하며 성장하고 소멸하는 양상을 보인다. 이 형태는 매우 불안정하여 프로펠러의 추력 감소나 효율 저하를 일으키고, 기포가 터질 때 발생하는 충격압으로 인해 날개 표면에 침식(en)과 같은 손상을 유발할 수 있다. 공동현상 시험 중 이러한 형태가 관찰되면, 이를 피하기 위해 프로펠러 설계를 변경해야 할 정도로 심각하게 다룬다.
• '''앞면 공동현상''' (en): 받음각이 작거나 음(-)의 값을 가질 때, 날개 앞면의 앞쪽 가장자리 근처에서 발생할 수 있는 공동현상이다. 프로펠러의 중심부(en)에 가까운 날개 단면이나, 프로펠러 날개가 회전 중 가장 아래쪽(6시 방향)에 위치할 때 날개 끝부분에서 관찰되기도 한다. 이 역시 매우 불안정한 형태이며 날개 침식의 주요 원인 중 하나로 꼽힌다.
• '''팁 보텍스 캐비테이션''' (en): 프로펠러 날개 끝(en)에서는 강한 와류(en)가 방출되는데, 이 와류의 중심은 압력이 매우 낮다. 이 저압 영역에서 발생하는 끈이나 실 모양의 공동현상을 말한다.
• '''클라우드 캐비테이션''' (en): 얇은층 공동현상(en)이 불안정해지면서 급격하게 부서져 내릴 때, 수많은 작은 공동 기포들이 구름처럼 뭉쳐서 나타나는 형태이다. 매우 격렬한 침식을 유발할 수 있다.
• '''루트 캐비테이션''' (en): 프로펠러 날개가 허브에 연결되는 뿌리 부분(en)의 날개 표면에 부착되어 나타나는 시트(en) 형태의 공동현상이다. 하나의 얇은 기포층으로 보이기도 하고, 작은 기포들이 모여 있는 형태로 나타나기도 한다.

3. 2. 기타 캐비테이션

4. 캐비테이션의 지배 요인

캐비테이션 발생에 영향을 미치는 주요 요인들은 다음과 같다.^[87]

• 익형 등 물체의 형상 및 표면 조도
• 흐름의 압력, 속도, 난류
• 액체의 물성: 증기압, 표면 장력, 점성, 압축성 등
• 액체 중에 포함된 불순물 (고체, 기체)
• 물체 표면의 상태, 젖음성

5. 캐비테이션의 응용

공동현상(캐비테이션)은 제어되지 않을 경우 손상을 일으킬 수 있지만, 이를 제어하면 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.^[10] 예를 들어, 고속 해양 선박이나 발사체의 성능을 향상시키는 데 응용될 수 있다.^[12]

기체에서도 공동현상과 유사한 원리를 이용하여 물체를 더 빠르게 이동시킬 수 있다. 납작한 탄두를 가진 총알이 물속에서 더 빠르게 나아가는 것이 한 예이며, 항공기나 고속 차량 표면에 모래 언덕과 유사한 형태를 적용하여 공기 저항을 줄이는 연구도 이루어지고 있다.^[23] 자연계에서는 권총 새우가 집게발을 빠르게 닫아 공동현상을 일으켜 먹이를 사냥하거나^[90], 갯가재가 펀치 공격 시 공동현상을 활용하는 사례를 볼 수 있다.

그러나 공동현상은 여러 기계 장치에서 문제를 일으키기도 한다.

• 스크류 프로펠러: 발생하는 기포로 인해 추진 효율이 떨어지고(헛도는 현상), 기포가 터질 때 발생하는 압력파가 프로펠러 표면을 침식시켜 손상을 유발할 수 있다. 21세기 잠수함의 스큐드 프로펠러는 이러한 현상을 줄이도록 설계되었지만, 여전히 해수면 가까이에서는 공동현상이 발생할 수 있다. 깊이 잠수하면 수압 증가로 인해 발생 가능성이 낮아진다.
• 펌프: 유체 기계인 펌프 내부, 특히 임펠러와 같은 부품에서 공동현상이 발생하여 손상을 일으키기 쉽다.
• 유압 시스템: 밸브나 배관의 특정 구간에서 유속 변화나 난류로 인해 공동현상이 발생하여 부품 손상의 원인이 될 수 있다.
• 내연 기관: 수냉 엔진의 워터 펌프 내부 임펠러에서 공동현상이 발생하여 마모를 유발할 수 있다.
• 로켓 엔진: 액체 연료 로켓의 터보 펌프와 같이 극한 조건에서 작동하는 경우, 공동현상이 주요 고장 원인 중 하나로 꼽힌다.

5. 1. 화학 공학

5. 2. 생물 의학

• 고속 충격으로 인한 상처(예: 총상)에서는 임시적 공동현상과 영구적 공동현상이 함께 나타나며 조직 손상을 유발한다. 하지만 신체 내 밀도 차이 등으로 인해 정확한 상처 발생 과정은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.^[30]
• 초음파는 때때로 수술 후 뼈 형성을 촉진하는 데 사용되기도 한다.^[31]
• "손가락 마디를 꺾을 때 나는 소리"는 관절 내 활액에서 공동현상 기포가 터지면서 발생하는 것으로 여겨진다.^[32]
• 치과 치료 분야에서는 공동현상을 이용해 오존 마이크로 나노 버블을 생성하는 기술이 연구되고 있다.^[33]

5. 3. 세척

5. 4. 식품 및 음료

6. 캐비테이션 손상

공동현상은 일반적으로 바람직하지 않은 현상으로 여겨진다. 프로펠러나 펌프와 같은 유체 기계에서 공동현상이 발생하면 심각한 소음과 진동을 유발하고, 부품 손상 및 효율 저하로 이어질 수 있다.^[43] 특히 공동현상으로 인한 소음은 잠수함과 같은 군사 장비의 수동 소나 탐지 가능성을 높이는 원인이 되기도 한다.

공동현상으로 생성된 기포(캐비티)는 압력이 높은 영역으로 이동하면 급격하게 붕괴한다. 이 붕괴 과정에서 기포 내부의 증기는 매우 짧은 시간 동안 압축되어 온도는 수천 켈빈, 압력은 수백 기압에 달할 수 있다.^[4] 이때 기포 주변의 액체는 기포 중심으로 매우 빠르게 쇄도하며, 기포가 완전히 소멸하는 순간 서로 충돌하여 강력한 충격파를 발생시킨다. 이 충격파는 소음과 진동의 주요 원인이 된다.

특히 기포가 프로펠러 날개나 펌프 임펠러와 같은 고체 표면 근처에서 붕괴할 경우, 기포는 비대칭적으로 수축하며 표면을 향해 매우 빠른 속도의 미세 액체 제트(microjet)를 분출한다. 이 제트류는 마치 작은 망치로 표면을 때리는 것과 같은 충격을 주어 표면에 '''침식(erosion)'''을 일으킨다. 이러한 기포의 동적 거동은 다음의 레일리-프레셋 방정식으로 설명될 수 있다.

:$R\backslash frac\{d^2R\}\{dt^2\}\; +\; \backslash frac\{3\}\{2\}\backslash left(\backslash frac\{dR\}\{dt\}\backslash right)^2\; =\; \backslash frac\{p-p\_\backslash infty\}\{\backslash rho\}$

• $R$：기포의 반지름
• $p$, $p\_\backslash infty$：기포 표면 및 외부 무한대의 압력
• $\backslash rho$：액체의 밀도

6. 1. 펌프 및 프로펠러

=== 펌프 ===

펌프 내부에서도 공동현상이 발생하며, 주로 두 가지 형태로 구분된다.

==== 흡입 공동현상 (Suction Cavitation) ====

펌프 흡입구의 압력이 매우 낮거나 높은 진공 상태가 될 때 발생한다. 이로 인해 액체가 펌프 임펠러의 입구 부분(eye)에서 증기로 변하게 된다. 이 증기는 임펠러를 따라 펌프의 토출 측으로 이동하면서 다시 압력이 높아져 액체로 응축(붕괴)된다. 이 과정에서 발생하는 격렬한 충격은 임펠러 표면을 직접 공격하여 손상을 입힌다. 흡입 공동현상으로 손상된 임펠러는 표면에서 큰 덩어리의 재료가 떨어져 나가거나, 마치 스펀지처럼 작은 구멍들이 무수히 생기는 형태로 나타난다. 이러한 손상은 결국 베어링 고장 등으로 이어져 펌프의 조기 고장을 유발한다. 흡입 공동현상이 발생할 때는 펌프 케이싱 내부에서 마치 자갈이나 구슬이 굴러가는 듯한 소음이 들리는 경우가 많다.

흡입 공동현상의 일반적인 원인은 다음과 같다.^[46]

• 흡입 측 필터나 배관의 막힘
• 부적절한 흡입 배관 설계 (과도한 굴곡, 좁은 직경 등)
• 펌프가 설계된 운전 범위보다 과도하게 높은 유량으로 작동하는 경우
• 펌프가 요구하는 NPSHa(Net Positive Suction Head available)가 부족한 운전 조건

• 가능하다면 펌프 흡입 측의 압력을 높인다. (예: 액체 수위를 높이거나 가압 탱크 사용)
• 가능하다면 액체의 온도를 낮춘다. (온도가 낮을수록 증기압이 낮아짐)
• 펌프 토출 측 밸브를 조절하여 유량을 줄인다. (주로 배출 공동현상 완화에 효과적)
• 펌프 케이싱 내부에 축적될 수 있는 가스를 주기적으로 배출한다.

6. 2. 제어 밸브

6. 3. 댐 월류

6. 4. 엔진

7. 캐비테이션 방지 및 해결책

공동현상은 일반적으로 바람직하지 않은 현상으로, 여러 문제를 일으킨다. 프로펠러나 펌프와 같은 장치에서는 소음, 부품 손상, 진동, 효율성 저하 등을 유발한다.^[43] 특히 공동현상 기포가 붕괴할 때 발생하는 충격파와 소음은 수동 소나에 쉽게 탐지될 수 있어 군사 잠수함 운용에 큰 제약을 준다. 또한 기포 붕괴 시 발생하는 고압은 금속 표면을 침식시켜^[44] 프로펠러나 펌프 임펠러 등의 수명을 단축시킨다. 일단 표면에 공동현상 손상(피팅)이 발생하면, 표면 거칠기 증가로 난류가 심해지고 새로운 기포 핵 생성 위치를 제공하여 침식 속도가 가속화된다. 이는 응력 부식 균열의 위험도 높인다.^[45] 조류 발전 터빈과 같은 신재생 에너지 설비에서도 블레이드 손상을 유발하는 문제로 인식된다.^[43]

이러한 공동현상을 방지하거나 그 영향을 줄이기 위한 몇 가지 일반적인 방법이 있다.

• 흡입 압력 증가: 펌프나 유체 시스템의 입구 압력을 높여 액체가 쉽게 증기화되지 않도록 한다.
• 액체 온도 감소: 액체의 온도를 낮추면 증기압이 낮아져 공동현상 발생 가능성이 줄어든다.
• 유량 조절: 펌프의 토출 밸브를 조절하여 유량을 줄이면, 유속 감소로 인해 압력 강하 폭이 줄어 공동현상을 억제할 수 있다.
• 가스 배출: 시스템 내부에 용해되어 있거나 유입된 가스를 주기적으로 배출하여 기포 핵 생성을 줄인다.
• 형상 최적화 및 접촉 면적 확대: 유체가 접촉하는 부품(임펠러 날개, 밸브 등)의 형상을 최적화하여 국소적인 저압 영역 발생을 최소화한다. 즉, 유체 압력이 액체의 포화 증기압 이하로 떨어지지 않도록 설계하며, 필요하다면 프로펠러나 임펠러의 크기를 키워 접촉 면적을 넓힘으로써 단위 면적당 압력 차이를 줄여 공동현상 발생을 억제할 수 있다.

• 흡입 배관 개선: 펌프 흡입구로 유입되는 흐름을 안정시키는 것이 중요하다. 이를 위해 펌프 흡입 플랜지 앞에 충분한 길이(일반적으로 펌프 흡입구 직경의 10배 정도)의 직선 파이프를 설치하여 와류나 편류 없는 균일한 흐름을 만들어주는 것이 좋다.^[47] 특히 엘보와 같이 흐름을 급격히 변화시키는 부속을 흡입구 가까이에 설치하는 것은 피해야 한다. 이는 불균일한 흐름을 유발하여 임펠러 한쪽에 과도한 부하를 주거나 반대쪽에 난류 및 공동현상을 일으켜 펌프의 성능 저하와 부품 수명 단축을 초래하기 때문이다.^[48]
• 흡입 공동현상 방지: 필터나 흡입 배관의 막힘을 제거하고, 펌프가 설계된 NPSH(Net Positive Suction Head) 요구 사항을 충족하도록 시스템을 구성한다.^[46]
• 배출 공동현상 방지: 펌프가 과도하게 낮은 유량(일반적으로 최고 효율점의 10% 미만)에서 작동하지 않도록 시스템을 조절한다. 높은 토출 압력은 유체가 배출되지 못하고 펌프 내부에서 순환하게 만들며, 이때 임펠러와 하우징 사이의 좁은 간극을 고속으로 통과하면서 벤투리 효과와 유사한 원리로 압력이 낮아져 증기가 발생할 수 있다. 이는 임펠러 베인 팁과 하우징의 마모, 씰 및 베어링의 조기 고장을 유발할 수 있다.

• 표면 처리 및 설계: 월류 표면을 매끄럽게 마감하거나 유선형으로 설계하여 흐름 박리를 최소화한다. 내마모성이 강한 재료를 사용하기도 한다.
• 통기 장치(Aeration device): 유속이 매우 빠른 경우(예: 20m/s 이상), 월류 바닥이나 벽면에 인공적으로 공기를 주입하는 통기 장치를 설치한다.^[51] 주입된 공기는 물과 혼합되어 혼합물의 압축성을 높여 기포 붕괴 시 발생하는 충격 압력을 완화시킨다.^{[52][53][54][55]} 통기 장치는 보통 램프나 오프셋 같은 구조물을 이용해 물 흐름을 표면에서 살짝 띄우고, 그 아래 공간으로 공기가 유입되도록 설계된다.

• 냉각수 첨가제: 냉각수에 특수 화학 첨가제를 넣어 금속 표면에 보호층을 형성하게 한다. 이 보호층이 공동현상 충격을 대신 흡수하고 손상되더라도 다시 생성되어 금속 자체를 보호한다.
• 냉각 시스템 압력 유지: 냉각 시스템 내부를 일정 압력 이상으로 유지(가압)하여 냉각수의 끓는점을 높이고 증기 발생을 억제한다.
• 설계 개선: 엔진 설계 단계에서 냉각수 유로 형상 등을 최적화하여 국소적인 고속 유동이나 급격한 압력 변화가 발생하는 지점을 최소화한다. 특히 현대의 작고 가벼운 엔진 설계에서 냉각수 유속이 빨라지면서 공동현상 문제가 부각되기도 했는데, 유기 부식 억제제 사용이나 공동현상 발생 조건을 피하는 설계로 대응하고 있다.

8. 슈퍼캐비테이션

수중에서 이동하는 물체의 속도를 증가시키면, 이에 따라 캐비테이션에 의한 기포 발생량이 증가하여 결국 물체를 거의 완전히 덮어 버리는 현상을 슈퍼캐비테이션이라고 부른다. 슈퍼캐비테이션은 선단부를 제외하고 물과의 직접적인 접촉을 피하게 해 주므로, 점성 저항에서 자유로워져 수중에서 기존에는 불가능했던 빠른 이동 속도를 가능하게 한다.

이 현상을 적극적으로 이용한 예로는 슈퍼캐비테이션 프로펠러가 있다. 물체 전체에 슈퍼캐비테이션을 이용한 대표적인 예는 소련의 어뢰인 쉬크발이다. 쉬크발은 선단부에서 인위적으로 대량의 기포를 발생시켜 생성된 공동(cavity) 안에 어뢰 전체를 감싸 물의 항력을 크게 줄인다. 이를 통해 수중에서 200노트(약 370킬로미터 매시) 이상의 속도를 내는 것으로 알려져 있다.

9. 자연에서의 캐비테이션

빠르게 흐르는 강물, 특히 폭포와 같이 낙차가 있는 곳에서는 암석 표면에 캐비테이션이 발생할 수 있다.

일부 가설은 다이아몬드 생성 과정에서 캐비테이션의 역할을 제기한다. 특히 킴벌라이트 화산관에서 발생하는 캐비테이션이 순수한 탄소를 다이아몬드로 변환하는 데 필요한 극심한 압력을 제공할 수 있다는 것이다. 또한, 1883년 크라카토아 분화 당시 기록된 가장 큰 세 번의 소리는 화산 목구멍에서 형성된 거대한 캐비테이션 기포 세 개(각각 이전보다 더 컸음)의 폭발로 이해되기도 한다. 용해된 가스로 가득 차고 높은 압력을 받은 마그마가 다른 마그마와 만나면서 기포가 커지고 합쳐져 폭발했을 수 있다.^[56][57]

캐비테이션은 관다발 식물의 물관부에서도 발생할 수 있다.^[58][59] 수액이 국소적으로 기화하면 도관 요소나 가도관이 수증기로 채워지게 된다. 식물은 캐비테이션이 발생한 물관부를 복구하는 메커니즘을 가지고 있다. 키가 50cm 미만인 식물은 뿌리압으로 수증기를 다시 용해시킬 수 있다. 더 큰 식물은 방사유세포나 가도관의 가장자리 구멍을 통해 삼투 현상을 이용하여 용질을 물관부로 전달한다. 이 용질이 물을 끌어당겨 압력을 높이고 수증기를 다시 용해시킨다. 일부 나무에서는 증산 작용이 활발한 여름철에 캐비테이션으로 인한 소리가 들리기도 한다. 어떤 낙엽수는 가을에 기온이 떨어지면서 캐비테이션 발생이 증가하기 때문에 잎을 떨어뜨리는 것으로 여겨진다.^[59]

특정 식물의 포자 분산 메커니즘에도 캐비테이션이 활용된다. 예를 들어, 고사리류의 포자낭은 포자를 공중으로 발사하는 투석기처럼 작동한다. 포자낭의 환대 세포에서 물이 증발하면 압력이 감소하고, 압축 압력이 약 9 MPa에 도달하면 캐비테이션이 발생한다. 이 급격한 현상으로 환대 구조에 저장된 탄성에너지가 방출되어 포자가 발사되는데, 이때 초기 가속도는 중력 가속도의 최대 10⁵배에 달할 정도로 매우 크다.^[60]

수생 동물에서도 캐비테이션 현상이 관찰된다. 빠르게 헤엄치는 동물의 꼬리나 지느러미 주변에서 기포가 형성될 수 있으며, 이는 주변 수압이 낮은 해수면 근처에서 더 쉽게 발생한다. 이러한 캐비테이션은 돌고래나 참치와 같이 강력한 유영 능력을 가진 동물의 최대 속도를 제한하는 요인이 될 수 있다.^[61] 돌고래는 꼬리에서 발생하는 캐비테이션 기포 붕괴 시 통증을 느낄 수 있어 스스로 속도를 조절하는 것으로 보인다. 반면, 참치는 신경 종말이 없는 뼈로 된 지느러미를 가지고 있어 통증을 느끼지 않지만, 캐비테이션 기포가 지느러미 주변에 증기 막을 형성하면 속도가 느려진다. 실제 참치에서 캐비테이션으로 인한 손상과 유사한 병변이 발견되기도 했다.^[62]

일부 해양 생물은 캐비테이션을 생존에 유리하게 이용한다. 권총 새우는 특수한 집게발을 빠르게 튕겨 캐비테이션을 발생시키고, 이때 발생하는 충격파로 작은 물고기를 사냥한다. '스매셔(smasher)' 타입의 사마귀 새우 역시 캐비테이션을 이용하여 조개류와 같은 먹이를 기절시키거나 껍데기를 부순다.^[63] 환도상어는 긴 꼬리를 채찍처럼 휘둘러 작은 물고기 떼를 기절시키는데, 이때 꼬리 끝부분에서 캐비테이션 기포가 발생하는 것이 관찰되었다.^[64][65]

해안 침식 과정에서도 캐비테이션이 중요한 역할을 하는 것으로 받아들여지고 있다.^[66] 파도가 해안 절벽에 부딪힐 때, 파도 속의 거품이 암석의 균열 속으로 밀려 들어간다. 이때 압력 변화로 인해 일부 기포가 급격히 붕괴(내파)하면서 강력한 충격파를 발생시킨다. 이 충격파가 암석의 일부를 파괴하여 침식을 유발할 수 있다.

10. 캐비테이션의 역사

1754년, 스위스 수학자 레온하르트 오일러(1707–1783)는 공동 현상의 가능성에 대해 처음으로 추측했다.^[67] 이후 1859년, 영국 수학자 윌리엄 헨리 베산트(1828–1917)는 유체 내 구형 공동의 붕괴 역학 문제에 대한 해법을 발표했다. 이 문제는 1847년 조지 스토크스(1819–1903)가 케임브리지 대학교의 문제로 제시했던 것이다.^[68][69] 1894년에는 아일랜드의 유체 역학자 오스본 레이놀즈(1842–1912)가 끓는 액체와 좁은 튜브 안에서 증기 기포가 어떻게 형성되고 붕괴하는지를 연구했다.^[70]

"공동 현상(cavitation)"이라는 용어는 1895년 존 아이작 손이크로프트(1843–1928)와 시드니 워커 바나비(1855–1925)의 논문에서 처음 사용되었다. 이 용어는 영국의 엔지니어 로버트 에드먼드 프로우드(1846–1924)가 제안한 것으로 알려져 있다.^[71][72] 공동 현상에 대한 초기 실험 연구는 1894년에서 1895년 사이에 손이크로프트와 바나비, 그리고 영국-아일랜드계 엔지니어 찰스 알저논 파슨스(1854–1931)에 의해 수행되었다. 특히 파슨스는 이 현상을 관찰하기 위해 스트로보스코프 장치를 만들기도 했다.^[73][74][75] 손이크로프트와 바나비는 프로펠러 날개 뒷면에서 공동 현상이 발생하는 것을 처음으로 관찰한 연구자들이었다.^[76]

1917년, 영국의 물리학자 레일리 경(1842–1919)은 베산트의 연구를 바탕으로, 표면 장력과 점성을 무시한 비압축성 유체 내에서의 공동 현상에 대한 수학적 모델을 발표하고 유체 내 압력을 계산했다.^[77] 레일리 경과 영국 엔지니어 스탠리 스미스 쿡(1875–1952)이 개발한 이 모델은 증기 기포가 붕괴할 때 매우 높은 압력이 발생할 수 있으며, 이것이 선박 프로펠러에서 관찰되는 손상의 원인일 수 있음을 보여주었다.^[78][79] 이러한 고압 발생에 대한 실험적 증거는 1952년 마크 해리슨이 음향학적 방법을 사용하여 처음으로 수집했고,^[80][81] 1956년에는 베르니프리드 귯이 슐리렌 사진술을 이용해 확인했다.^[82]

참조

_[1] 웹사이트 The US Navy secretly designed a super-fast futuristic aircraft resembling a UFO https://metro.co.uk/[...] 2019-04-18
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