모세관 현상이란?

물은 표면 장력이 매우 커서 수면에 찢기 어려운 막이 있는 것 같다. 물에 빠진 개미가 잘 빠져나오지 못하는 것도, 납작한 돌로 물수제비를 뜰 수 있는 것도 이 때문이다. 액체의 표면 장력이 크다는 것은 액체가 공기와 접하는 표면적을 줄이려는 힘이 크다는 것이다. 그래서 이슬이나 풀잎에 맺힌 물방울은 표면적이 가장 작은 둥그런 모양으로 된다. 물의 표면 장력이 큰 것은 물 분자 끼리의 인력, 즉 응집력이 매우 크기 때문이다. 종이나 수건에 물이 스며들고 높은 나무 꼭대기까지 물이 올라가는 것도 표면 장력과 관련이 있다. 이런 현상들은 가는 관(모세관)에서 일어난다 하여 특별히 '모세관 현상'이라고 부른다. 모세관 현상은 물 분자 사이의 응집력 외에도 물 분자와 물을 담는 용기 사이의 힘인 부착력과 관련되어 있다.
유리로 만든 비커에 물을 담고 보면 벽 쪽의 물이 조금 더 올라가 있는 것을 볼 수 있다. 이것은 물 분자와 유리의 부착력이 물 분자끼리의 응집력보다 크기 때문이다. 즉, 물이 유리벽에 붙으면서 풀잎 위의 이슬과는 반대 방향으로 표면 장력이 작용하게 되고 결국 안쪽으로 오목한 형태가 된 것이다. 지름이 큰 비커의 수면은 가운데 부분이 평평한 모양인데, 지름이 작아질수록 평평한 부분이 좁아진다. 그리고 지름이 더욱 작아져서 유리관 정도로 좁아지면 평평한 부분이 아예 없어져 물의 표면은 U자 모양으로 된다. 물이 담겨 있는 비커에 양쪽이 모두 뚫린 유리관을 세워 넣으면, 처음에 유리관에 들어온 물은 표면 장력에 의해 위쪽으로 볼록하게 부풀어 오른다. 이렇게 부풀어 오른 물은 다시 부착력에 의해 유리벽 쪽으로 끌려가서 U자 모양을 만들면서 위로 올라간다. 여기서 다시 U자 모양의 가운데 부분에 있던 물 분자들이 응집력에 의해 모이면서 가운데 부분이 또 다시 위로 올라가게 된다. 가운데 부분이 올라가면 다시 부착력이 작용하여 새로이 U자 모양을 만들려고 하고, 결국 물의 응집력과 부착력이 번갈아 반복되면서 유리관에 들어온 물은 바깥쪽에 있는 물보다 더 높이 올라간다. 하지만 유리관에 들어온 물이 무한대로 올라가는 것은 아니다. 유리관에 들어온 물은 일정 높이가 되면 멈추게 되는데, 유리관을 따라 올라온 물기둥에 작용하는 중력과 물기둥을 만들어 낸 물의 부착력 및 응집력의 힘이 같아지면 멈추게 된다. 따라서 유리관이 가늘수록 물은 더 높이 올라갈 수 있다. 헝겊이나 종이에 물이 스며드는 것도 헝겊과 종이에 있는 미세한 틈이 모세관 역할을 하기 때문이다. 또한 키 큰 나무에 물이 올라가는 데에도 물의 응집력과 물관과 물의 부착력이 큰 역할을 한다. 만약 물의 응집력이 작았다면 키가 큰 나무는 나타나지 않았을 것이다.