콜라 깡통 찌그러트리기에 열올리는 물리학자들(안정성의 전체 분포<stability landscape>측정)

 

미국 하버드대학과 스위스 로잔연방공대의 물리학 연구진은 코카콜라 깡통들을 찌그러트리는 데에 가해지는 힘의 복잡한 작용과 조건들을 연구해 그 결과를 물리학술지 <피지컬 리뷰 레터스(PRL)> 최근호에 발표했다. 그런데 그저 콜라 깡통만의 찌그러짐 특성을 분석하려는 게 아니다. 연구진은 이런 찌그러짐 반복 실험이 원통형의 금속 외피를 지닌 맥주 깡통이나 다른 알루미늄 음료 깡통뿐 아니라 더 나아가 마찬가지로 원통형인 우주 로켓의 안정성을 높이는 설계에 도움을 주리라고 기대했다.

 

이들이 수행한 실험은, 위아래의 두 금속판 사이에 깡통을 두고서 다양한 크기의 힘으로 깡통을 누르면서 금속 공을 매단 막대로 깡통 옆구리를 찔러 움푹 들어가게 할 때, 깡통이 어느 순간에 찌그러지기 시작하는지를 정밀하게 측정하는 작업이었다. 이 실험을 통해 연구진은 축으로 가해지는 힘의 크기와 움푹 들어간 자국의 크기가 어떤 상관관계를 지닐 때 깡통이 찌그러지기 시작하는지를 알아보고자 했다.

 

콜라 깡통 찌그러짐 실험을 되풀이해 연구진이 얻은 성과는 이렇다. 연구진은 축 방향 힘의 크기와 움푹한 자국의 크기가 어떻게 조합될 때 원통형 금속 외피에 나타나는 안정성(stability)의 전체 그림은 어떠한지를 파악할 수 있게 하는 일종의 ’안정성 지도’를 작성했다. 이를 이용하면 금속 깡통이 어떤 조건들의 조합에서 찌그러지며 또는 찌그러지지 않는지를 예측할 수 있다고 한다. 다음은 이 연구를 소개한 미국물리학회(APS)의 온라인 매체 <피직스>가 전하는 연구 요지다.

 

″예컨대 깡통은 축 방향 하중의 크기가 어떤 일정한 값 이하일 때엔 움푹한 자국이 아무리 크다 해도 찌그러지지 않는다. 그러나 그 값을 넘어설 때, 움푹한 자국이 충분히 움푹하다면 깡통은 모두 다 찌그러진다. 갑작스럽게 일어나는 찌그러짐은 ’비선형적 안정성’으로 알려진 일반적인 거동을 나타내기에, 원통형 깡통이면서 움푹한 곳을 지닌 모든 물체들은 외피 안정성이 이와 비슷할 것이라고 연구진은 밝혔다.″ (온라인 매체 <피직스>에서)

 

이 물리학 전문 매체는 ˝이런 보편성이 유효하다면, 연구진은 이런 ’안정성 지도’를 사용해 우주 로켓이나 이와 비슷한 물체들이 옆쪽에서 가해지는 약한 찌르기만으로 어떤 반응을 나타내는지 측정함으로써 그것들의 견고성을 미리 내다볼 수 있을 것˝이라고 전했다.

 

***논문 초록 (번역)***

우리는 원통형 외피를 누를 때 그 외피에 나타나는 반응 현상을 측정하여 그 안정성의 전체 분포(stability landscape)를 감정한다. 그것은 지배적 결함이 하나인 경우일 때에, 완전한 외피와 불완전한 외피가 지니는 안정성의 특징을 잘 보여준다. 우리는 안정성의 전체 분포가 하중을 가하는 방식(loading protocol)이나 (원통 외피를 움푹하게) 누르는 물체의 모양(기하학)과는 별개임을 보여준다. 우리 연구결과는 외피의 복합적인 안정성이 결국에는 저차원으로도 설명할 수 있음을 시사한다. 이런 안정성 전체 분포에서 튀어나온 부분과 패인 부분을 추적한다면, 외피 안정성을 설명하는 데 필요한 자연적인 위상-공간 좌표(phase-space coordinates)가 정의된다.