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최근 수정 시각 : 2024-10-12 19:10:49

브라질너트 효과


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1. 개요2. 역사3. 실제 사례4. 관련 문서

1. 개요



브라질너트 효과(brazil nut effect)는 크기가 다양한 고체 입자들이 섞인 것을 장시간 흔들 경우, 얼핏 보기에는 잘 섞인 것처럼 보이지만 결국 알갱이가 큰 입자들이 맨 위 표면으로 떠오르게 되는 현상이다. 영국의 물리학자 마이클 패러데이가 처음 발견하였다. 한국에는 '브라질 땅콩 효과'라는 오역으로 흔히 알려져 있다.[1]

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 브라질너트가 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)[2]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 브라질너트 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.[3]

파일:external/large.stanford.edu/f1big.gif
위 실험에서 8 mm 유리구슬과 15 mm 폴리프로필렌을 사용한 a에선 브라질너트 효과가 성립하지만 10 mm 구리와 4 mm 유리구슬을 적용한 b에선 역 브라질너트 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 1996년MRI를 이용해서 그 과정을 밝혀냈다.

3. 실제 사례

한국에서는 주로 보리밥 짓기 전에 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. 를 담아둔 통에서 찻잎을 덜어 먹다 보면 위에는 멀쩡한 찻잎만 있는데 밑바닥엔 부서져서 가루가 된 찻잎이 잔뜩 있는 경우라든지, 그래놀라를 먹다 보면 바닥에 작은 오트밀 조각만 잔뜩 남아있는 경우도 이 때문이다.

모래, 자갈 따위의 건축자재, 곡식, 제약회사의 약품, 분유, 설탕을 비롯한 알갱이로 되어있는 혼합물[4] 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 브라질너트 효과를 막기 위해 계속 섞어주는 일에 매년 엄청난 돈을 쓰고 있다.
지질학에서는 일부 조건에서 큰 입자가 오히려 위쪽에 퇴적되는 역 점이층리 현상을 설명할 때 사용하기도 한다. 사실, 구세대들도 초중등과정의 교과서나 방학교재에서 지질학, 그러니까 모래와 자갈을 가지고 하는 실험으로 한 번쯤 접해봤을 내용이다. 더 알고 싶으면 Granular convection이란 이름으로 검색해보자.

군대에서 우유건빵을 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 정재승KAIST 부교수의 저서인 '과학 콘서트'를 통해 이 현상이 많이 알려졌는데 그 이전에도 과학동아어린이 과학동아 잡지에서 다룬 바 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 브라질너트 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] 브라질너트 문서를 보면 알 수 있듯 땅콩과는 거리가 먼 식물이다.[2] 지는 게임 2개를 잘 조합했더니 오히려 이기는 게임이 된다는 게임 이론의 역설.[3] 비상교육의 중학교 3학년 과학 교과서에는 브라질너트 효과에 대해서 설명하는 글이 실려있다. 그런데 역 브라질너트 효과에 대한 내용은 없다.[4] 여기서 알갱이의 크기는 1 µm급 이상으로 열운동을 무시할 수 있는 큰 입자.

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