태풍이나 우주의 성운을 관찰할 때 물체가 돌면서 나선형으로 흐르는 '소용돌이' 현상의 원리를 포스텍 연구팀이 밝혀냈다.

포스텍(포항공과대)은 신소재공학과 제정호 교수·이지산 박사 연구팀이 물방울이 액체 표면에 떨어지는 순간 소용돌이가 형성되는 찰나의 모습을 초고속 X-선 현미경을 이용해 그 원리를 밝혀냈다고 5일 밝혔다.

연구 결과는 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 최신호에 게재됐다.

연구팀은 물방울이 액체 표면에 떨어질 때 순간적으로 물방울의 벽면을 따라 액체가 타고 올라가면서 작은 소용돌이가 만들어지는 과정을 X-선 현미경에 생생히 담아냈다.

분석 결과 액체의 오네조르게 수(Oh)가 충분히 적을 때 탄성파 에너지의 전달에 의해 소용돌이가 형성되는 원리를 밝혀냈다. 연구팀은 이 원리에 따라 액체의 오네조르게 수를 소용돌이 형성의 새로운 기준으로 제시했다.

오네조르게 수(Oh)는 유체가 이동할 때 점성력과 관성력 및 탄성력을 연관시키는 유체역학상수다. Oh 수가 낮으면 파동을 전달하는 매질 내에서 탄성파가 쉽게 전파되고, 높으면 점성력에 의해 탄성파가 전파되지 못하고 매질에 흡수된다.

연구팀은 이와함께 소용돌이가 연속해 여러 개가 형성될 수 있는 것도 처음으로 확인했으며 소용돌이의 회전 역학과 각 속도, 나선 모양 등 구체적인 소용돌이 형태까지 밝혀냈다고 설명했다.

제정호 교수는 "원리를 활용하면 태풍과 같은 자연재해를 좀 더 체계적으로 이해해 예측의 정확도를 높일 수 있고 유체물질 전달을 응용하는 산업에서 공정효율을 높이는데도 도움이 될 것으로 기대하고 있다"고 말했다.

연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 리더연구자지원사업(창의적 연구) 지원으로 수행됐다.