얼음은 도대체 왜 미끄러운걸까

얼음이 왜 미끄러울까

 

우리가 일상생활에서 익숙한 얼음은 물이 얼어서 고체가 되는 것입니다. 물의 화학식은 H2O입니다. 두 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자로 구성되어 있습니다. 물이 얼 때, 수소 결합은 육각형의 결정 구조를 형성합니다. 얼음은 결정을 가지고 있고 고정된 성분을 가지고 있기 때문에 광물의 한 종류로 여겨집니다.​ 얼음이 미끄러운 이유에 대해서는 여러 가지 가설이 있습니다.

 

 

패러데이의 표면 녹음

 

얼음이 미끄러운 이유는 바로 얼음 표면에 생기는 ‘물층(quasi-liquid layers)’ 때문입니다. 물층은 단어의 표면적인 의미처럼 물로 만들어진 층입니다. 이 물층은 눈으로 볼 수 없을 정도로 매우 얇은 두께입니다. 얼음 위에 얇은 층의 물이 존재하기 때문에 미끄럽습니다.

 

​그렇다면 누가 처음으로 얼음 위에 물층이 있다는 것을 알았을까요? 주인공은 마이클 패러데이입니다. 많은 업적을 남긴 패러데이는 1850년에 얼음 층의 존재를 주장한 최초의 사람입니다. 그가 제시한 실험은 간단합니다. 만약 여러분이 두 개의 얼음 조각을 함께 붙이면, 그것들은 한 조각으로 붙습니다. 그는 얼음의 표면이 물로 이루어져 있기 때문에, 두 개의 얼음이 서로 만나면 두 얼음 사이의 물층이 얼어서 함께 달라붙는다고 설명했습니다.

 

 

물층이 형성된 이유에 대한 가설

 

이러한 다양한 실험을 통해, 우리는 얼음 속에 물 층이 있다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 왜 물층이 얼음 표면에 형성될까요?

 

1849년, 영국 과학자 윌리엄 켈빈은 "압력 녹음 현상"을 통해 층 형성의 원리를 설명했습니다 압력 녹음 현상은 얼음에 압력이 가해지면 녹는점이 감소하는 것입니다. 따라서 얼음에 힘이 가해지면 압력에 의해 녹는점이 낮아져 얼음이 녹으면서 물층이 형성된다고 주장합니다.

 

우리는 이것을 설명하기 위한 실험도 했습니다. 두 개의 무거운 추를 준비하고 실을 얼음 위에 놓는 실험입니다. 얼음 위의 실이 강한 압력을 받아 얼음을 밀어내기 시작하고, 시간이 지나면서, 실은 신비롭게도 얼음을 아래로 파냅니다. 얼음 표면을 천천히 통과하는 실은 결국 얼음을 가르고 아래로 떨어집니다. 그 후에, 얼음은 다시 붙습니다.

 

위의 실험을 압력 녹음 현상으로 본다면, 실에 의해 강한 압력이 가해지면 얼음 꼭대기의 녹는점이 낮아져 얼음 위의 압력이 점차 녹았다가 다시 녹는점이 상승하여 다시 얼게 됩니다.

 

그러나 이러한 내용에 대해서는 이의가 제기되었습니다. 압력 녹음 현상에 따르면 압력이 한기압 상승하면 얼음의 녹는점이 0.01도 떨어집니다. 이 공식에 따르면, 70kg의 사람이 스케이트를 타고 얼음 위에 오를 때, 얼음의 녹는점은 약 0.017도만 떨어집니다. 결국 녹는점을 한 번 떨어뜨리기 위해서는 70kg보다 60배 무거운 것이 필요합니다. 이 단어는 또한 얼음 위에 충분한 물 층이 없기 때문에 가벼운 사람들이 미끄러질 수 없다는 것을 의미합니다.

 

​이에 발맞춰 새로운 이론이 제시되었습니다. 그것은 "마찰 녹음 현상"입니다 1939년 영국 과학자 보든과 휴가 주장한 마찰 녹음 현상은 마찰력이 열을 발생시켜 얼음이 녹는 것입니다. 압력 녹음 현상에서는 얼음이 압력 때문에 녹지만 이번에는 마찰 때문에 녹습니다. 하지만 이 주장도 반박됐습니다. 마찰 없이 미끄러져서는 안 되는데도 이런 상황이 존재한다는 뜻입니다. 예를 들어, 사람들이 얼음 위에 가만히 서 있으면 마찰이 전혀 없는데도, 얼음은 미끄럽습니다.

 

물층의 원인을 결합과 연결해서 설명하기도 합니다. 얼음은 여러 개의 H2O로 구성되어 있습니다. 이것들은 강한 수소 결합으로 연결되어 있습니다. 그래서 만약 여러분이 얼음 가운데 있는 분자를 본다면, 그것은 모든 면의 분자들에 의해 연결되어야 합니다. 하지만 얼음의 끝은 어떨까요? 팁은 분자 자체의 끝에 있기 때문에 결합하기에 충분한 분자가 없습니다. 이런 상황 때문에 결합력이 약해지고 층이 형성된다는 의견이 있습니다.

 

얼음 표면에 얇은 층의 물 분자가 있는 것은 사실이지만, 어떤 사람들은 이것이 미끄러짐의 원인이 아니라고 주장합니다. 얼음 위에 물이 있는데 미끄러지면 대리석 위에 물이 있어도 얼음처럼 미끄러져야 합니다. 하지만, 대리석에 물을 뿌리는 것은 얼음만큼 미끄럽지 않습니다.

 

그래서, 얼음이 우리 주변에서 쉽게 접촉할 수 있는 것이라는 사실에도 불구하고, 우리의 현대 과학은 아직 얼음 표면의 미끄러짐을 제대로 설명하지 못했습니다. 과학기술이 이렇게 발달한 이 시대에도 우리는 아직도 이해할 수 없는 이야기가 너무 많습니다. 이런 흥미로운 문제에 관심을 가져보면 어떨까요?