핫초콜릿 효과

핫초콜릿 효과(hot chocolate effect) 또는 핫초코 효과는 뜨거운 액체 컵을 두드려 들리는 소리의 음높이가 수용성 분말을 첨가한 후 높아지는 파동 역학 현상이다.Frank S. Crawford, May 1982, "The hot chocolate effect", American Journal of Physics, Volume 50, Issue 5, pp. 398-404, doi:10.1119/1.13080 (Abstract only)Frank S. Crawford, November 1990, "Hot water, fresh beer, and salt", American Journal of Physics, Volume 58, Issue 11, pp. 1033-1036, doi:10.1119/1.16268 (Abstract only) 이 효과는 처음 젓는 동안 혼입된 기포가 액체 내 음속을 감소시켜 주파수를 낮추기 때문에 발생하는 것으로 생각된다. 기포가 사라지면 소리는 액체 내에서 더 빠르게 이동하고 주파수는 증가한다.

 이름 
이 효과는 인스턴트 커피를 만들고 맥주를 따를 때 처음 관찰되었지만, 과포화된 뜨거운 물이나 차가운 맥주에 소금을 넣는 것과 같은 다른 상황에서도 발생한다. 최근 연구에 따르면 처음에는 과포화되지 않은 액체에서도 이 효과를 생성하는 더 많은 물질이 발견되었다.D. Fitzpatrick et al., March 2012, "Principles and Applications of Broadband Acoustic Resonance Dissolution Spectroscopy (BARDS): A Sound Approach for the Analysis of Compounds", Analytical Chemistry, Volume 84, Issue 5, pp. 2202-2210, doi:10.1021/ac202509s

이 효과는 낸시 스타이너(Nancy Steiner)가 지적한 후 로런스 버클리 국립연구소의 프랭크 크로퍼드(Frank Crawford)가 1980년부터 명명하고 대중화했으며, 그 이전 수십 년 동안 여러 번 보고된 바 있다.

 설명 
이 효과는 뜨거운 우유나 뜨거운 물을 머그컵에 붓고 초콜릿 가루를 저어 넣은 다음 숟가락으로 머그컵 바닥을 두드려 관찰할 수 있다. 두드리는 속도나 힘과 관계없이 두드리는 소리의 음높이는 점진적으로 증가한다. 동일한 용액을 다시 저으면(초콜릿 가루를 더 넣지 않고) 음높이가 점진적으로 다시 감소한 다음 다시 증가한다. 이 과정은 평형에 도달할 때까지 여러 번 반복될 수 있다.

 설명 
섬네일|upright|상단부에 기포가 있는 물 한 잔. 물이 맑아지면서 유리잔을 두드리는 소리의 음높이가 증가한다
이 현상은 기포 밀도가 액체 내 음속에 미치는 영향으로 설명된다. 들리는 음은 정상파의 진동수이며, 4분의 1 파장은 머그컵 바닥과 액체 표면 사이의 거리이다. 이 주파수 f는 파동의 속력 v를 물 기둥 높이 h의 4배로 나눈 것과 같다.

균일한 액체 또는 기체 내 음속 v는 뉴턴-라플라스 공식에 따라 유체의 질량 밀도()와 단열 부피 탄성 계수 ()에 따라 달라진다.

물은 공기보다 약 800배 밀도가 높고, 공기는 물보다 약 15,000배 더 압축성이 높다. (압축성은 부피 탄성 계수 의 역수이다.) 물이 기포로 가득 차 있을 때, 유체의 밀도는 여전히 물의 밀도와 매우 가깝지만, 압축성은 공기의 압축성이 된다. 이는 액체 내 음속을 크게 감소시킨다. 파장은 주어진 유체 부피에 대해 일정하므로, 기포가 존재하는 한 소리의 진동수(음높이)는 감소한다.

서로 다른 기포 형성률은 서로 다른 음향 프로필을 생성하여 첨가된 용질을 구별할 수 있게 한다.D. Fitzpatrick et al., 2012, "Blend uniformity analysis of pharmaceutical products by Broadband Acoustic Resonance Dissolution Spectroscopy (BARDS)", International Journal of Pharmaceutics, Volume 438, Issue 1-2, pp. 134-139, doi:10.1016/j.ijpharm.2012.07.073D. Fitzpatrick et al., 2013, "The relationship between dissolution, gas oversaturation and outgassing of solutions determined by Broadband Acoustic Resonance Dissolution Spectroscopy (BARDS)", Analyst, Volume 138, Issue 17, pp. 5005-5010, doi:10.1039/C3AN36838F

 같이 보기 
 광대역 음향 공명 용해 분광법, 이 효과를 기본 원리로 사용하는 분광 기술.

 각주 

 외부 링크 
 인스턴트 커피가 있거나 없는 컵의 소리: 거품으로 채워진 음향 시연 앤드루 모리슨(Andrew Morrison)과 토마스 D. 로싱(Thomas D. Rossing), 제143회 ASA 회의, 피츠버그.
 핫초콜릿 효과 영상 시연

분류:음향학
분류:파동역학
분류:물리학 실험