Capillary rise is important in many aspects of physical phenomena from transport in porous media to biotechnology. It is typically described by Lucas-Washburn-Rideal fiog(LWRE), but the discrepancy between experiments and the model still remains elusive. In this paper, we show that the discrepancy is simply from the contact angle change during the capillary rise with no help of any specific models, such as dynamic contact angle (DCA) models. To demonstrate it, we directly measure contact angle change of capillary rise for glycerol and carboxymethyl cellulose solutions as examples of Newtonian and non-Newtonian liquids. Unlike previous studies that used DCA models to explain the discrepancy, when the contact angle change is directly applied to the LWRE for all four tested fluids, the model agrees well with experimental data. The estimated contact angle from the capillary rise as a function of time is in good agreement with the directly measured contact angle within a narrow margin of error. We also reconstructed the capillary rise and contact angle data from previous studies for the validity of our theory. The contact angle dynamics that can be obtained from the macroscopic capillary rise may provide useful information for capillary flow in a more complicated geometry like porous media.
모세관 상승은 다공성 매체부터 생명과학을 다루는 다양한 문제의 중요한 원리이다. 모세관 상승 현상은 루카스-와쉬번-리들 식으로써 묘사되어왔으나, 실험 데이터와의 차이를 보이며 그 원인이 아직까지도 불분명하다. 이를 보완하고자 제안된 동적 접촉각 모델 또한 메커니즘이 완벽히 규명되지 못한 상황이다. 따라서 본 논문에서는, 이 이론적 오차가 단순히 접촉각의 변화로 부터 기인한다는 사실을 어떠한 모델의 개입이 없이 증명해보고자 한다. 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체의 모세관 현상의 정량적인 분석을 위해, 글리세롤과 카르복시메틸 셀룰로오스 용액의 접촉각을 관찰하였다. 기존의 모델과는 다르게, 직접 측정한 접촉각이 모든 용액의 실험데이터를 잘 따르는 것을 확인할 수 있었다. 기존의 수식에서 접촉각을 시간에 따른 변수로 계산하였을 때도 측정값과 상당히 일치했다. 나아가, 기존의 연구의 모세관 상승 및 접촉각 데이터를 재구성하여 증명을 뒷받침하였다. 이로써 접촉각이 거시적 모세관 상승 높이로부터 계산될 수 있으며, 다공성 매체와 같이 복잡구조에서의 유동 분석에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대한다.
