베르누이 원리

종이 두 장을 나란히 들고 그 틈 사이로 입김을 힘껏 불어보세요. 상식적으로는 바람 때문에 두 종이가 바깥으로 활짝 벌어질 것 같지만, 놀랍게도 종이는 서로를 향해 착 달라붙어요. 흔히 베르누이 원리의 예로 소개되는데, 종이 사이 좁은 틈을 지나며 흐름이 빨라지는 구간에서 공기 압력이 주변 대기압보다 낮아지기 때문이라고 설명해요. 다만 실제로는 종이 표면을 따라 흐르는 공기의 점성 효과도 함께 얽혀 있어요.

공기나 물처럼 자유롭게 흐르는 물질을 과학에서는 '유체'라고 불러요. 유체는 언제나 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하려는 성질을 가지고 있어요. 입김 때문에 종이 안쪽 공간의 압력이 낮아지자, 바깥쪽에 있던 상대적으로 높은 압력의 공기가 두 종이를 안쪽으로 강하게 밀어붙인 것이죠.

여기서 순서를 거꾸로 생각하면 안 돼요. 속력이 압력을 깎아 먹는 것이 아니라, 유체가 빨라지려면 뒤에서 미는 압력이 앞쪽보다 커야 해요. 그래서 한 줄기 흐름을 따라가 보면 유체가 빨라지는 구간은 압력이 낮은 구간과 늘 짝을 이뤄요.

화장대 위에 놓인 분무기나 향수병의 작동 원리도 베르누이 원리로 명쾌하게 풀려요. 분무기 손잡이를 꾹 누르면 빨대 윗부분의 좁은 구멍으로 공기가 매우 빠른 속도로 뿜어져 나가요. 그러면 빨대 입구 주변의 공기 압력이 순간적으로 급격히 낮아져요.

이때 액체 표면은 평상시의 대기압을 그대로 받고 있어요. 결국 병 속의 액체는 대기압에 눌려 압력이 낮아진 빨대 위쪽으로 거침없이 빨려 올라오게 돼요. 위로 솟구친 액체는 뿜어져 나오는 빠른 공기 흐름과 부딪히며 고운 물방울 안개가 되어 흩어지는 것이에요.

야구 경기에서 투수가 던지는 마구 같은 변화구도 같은 원리를 타요. 공이 빠르게 회전하면서 날아가면 한쪽 면은 공기와 마주치며 흐름이 느려지고, 반대쪽 면은 회전 방향과 바람 방향이 같아져 흐름이 아주 빨라져요. 흐름이 빠른 쪽의 압력이 낮아지면서 공이 압력이 낮은 쪽으로 휘어지는 마그누스 효과가 생겨난다고 흔히 설명해요(이 압력 차는 회전하는 공이 뒤쪽 공기 흐름을 한쪽으로 꺾어 보내는 것과 같은 현상을 다른 각도에서 본 것이에요).

베르누이 원리의 가장 깊은 뿌리에는 물리학의 대원칙인 '에너지 보존 법칙'이 자리 잡고 있어요. 닫힌 관 속을 흐르는 유체는 높이에 따른 위치에너지와 속도에 따른 운동에너지, 그리고 유체 자체가 가지는 압력 에너지를 품고 있는데, 마찰을 무시할 수 있다면 한 줄기 흐름을 따라 이 셋의 합이 일정하게 유지돼요.

파이프가 평평해서 위치에너지의 변화가 없다면, 유체의 속도가 빨라져 운동에너지가 커진 만큼 압력 에너지가 반드시 감소해야 전체 에너지 합이 변하지 않아요. 즉 유체의 속도와 압력은 한쪽이 커지면 다른 쪽이 작아지는 에너지의 시소게임을 하고 있는 셈이에요.

흔히 비행기 날개가 하늘로 뜨는 힘(양력)을 설명할 때 베르누이 원리 하나만으로 전부 설명하려는 오해가 있어요. 하지만 날개 위아래의 압력 차가 왜 생기는지는 날개가 공기 흐름을 아래로 꺾는 과정까지 함께 봐야 설명돼요. 압력 차로 보는 설명과, 날개가 공기를 아래로 밀어내며 받는 작용과 반작용의 힘으로 보는 설명은 서로 더해지는 두 힘이 아니라 같은 양력을 두 각도에서 본 것이에요.