일반적으로 물리학자와 공학자들이 소음이라고 일컫는 무작위 진동은 도움이 되지 않는 무작위 운동을 야기한다. 이는 손수레를 모든 방향으로 무작위적으로 흔들면서 손수레를 어떤 지점 A에서 B로 이동시킬 수 없는 것과 같다.

하지만 덴마크의 공업대학 Yaroslav Zolotaryuk에 의해 만들어진 장치는 한쪽 방향으로만 더 많은 마찰력이 작용하게 함으로써 예상된 방향으로만 회전한다. 이 장치는 두 개의 수평 사각판이 스프링으로 연결되어 있으며 아이들 장난감처럼 간단하다.

아래쪽 판 중앙에 놓인 수직 막대기가 위쪽 판의 중앙을 관통하게 되며 이 막대기에 두 개의 스프링이 감겨져서 두 판을 붙잡고 있다(그림 참조). 다른 두 개의 스프링을 사용해서 두 판의 끝이 연결된다. 위쪽 판이 회전하게 되면 나사 형태의 꼬임 구조가 만들어진다. 이러한 꼬임의 방향이 회전의 방향을 결정한다. 위쪽 판에 무작위적인 방향으로 힘이 주어졌을 때 아래쪽 판은 한쪽 방향으로만 회전하게 된다.

단지 꼬임현상 때문에 특정 방향의 회전이 발생되는 것은 아니다. 예를 들어 스프링이 단단한 막대기에 설치되어 있다면 무작위 방향으로 작용하는 힘은 무작위적인 회전을 만들어 낼 것이다. 특정 방향의 회전이 발생하는 이유는 위쪽 판에 작용하는 힘의 방향이 아래쪽에서 위쪽으로 작용할 때, 아래쪽 판과 판이 놓인 면 사이 마찰력이 보다 더 크기 때문이다. 스프링은 이 차이를 특정 방향의 회전으로 바꾸게 되는 것이다.

소음을 사용해서 특정 방향의 운동을 만들어 낼 수 있다는 것은 90여 년 전에 알려졌었다. 이번에 개발된 장치의 요령은 한쪽 방향의 움직임을 선호하도록 만든 것이다. 1990년대 물리학자들은 브라운 장치 (brownian ratchets) 에 대한 연구를 시작했다. 공기분자와 충돌하는 먼지 입자는 브라운 운동을 하게 되는데, 브라운 장치는 한쪽 방향의 경사가 다른 쪽 방향의 경사와 차이를 보이는 톱날 형태의 구조를 따라 입자를 움직이게 함으로써 특정 방향의 움직임을 선호하도록 만든다.

참고문헌.

Norden, B., Zolotaryuk, Y., Christiansen, P.L. & Zolotaryuk, A.V. Ratchet device with broken friction symmetry. Applied Physics Letters, 80, 2601 - 2603, (2002).

출처 : KISTI, 과학기술일반 등 록 일 2002-04-18 원문출판일 2002년 04월 17일

http://www.nature.com/nsu/020415/020415-4.html

운영자, 다른기사보기기사등록일시 : 2003.07.20 16:42

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