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무회전의 원리를 찾아서.

대한민국 남녀노소가 좋아하는 스포츠인 축구.
시원하게 골문을 가르는 축구의 슛에도 과학적 원리가 숨겨져 있다는 놀라운 소식에 동국대학교 축구동아리 ‘포디’를 찾았습니다. 특히 축구팬이라면 한번쯤 들어보았을 ‘무회전 슛’에 대해 물어보기로 했는데요, 포디의 미드필더 안지환 선수를 통해 무회전 슛의 원리에 대해 들어보시죠.^^

@dharder / Page URL: http://mrg.bz/v8MVhX Image URL: http://mrg.bz/27ICqS


Q. 본인과 소속 동아리 소개 부탁드립니다.
A. 안녕하세요. 저는 동국대학교 축구동아리 '포디'의 미드필더 안지환이라고 합니다. 저희 동아리는 사회과학부 정치외교학과 학생들끼리 친목을 다지는 의미에서 만든 동아리로 일주일에 한 번씩 모여서 축구를 하며, 건강과 친목 두 마리의 토끼를 잡는 모임입니다.

Q. 축구는 과학이다?
A. 맞는 말입니다. 축구를 할 때, 몸의 움직임에 과학이 적용되기 때문입니다. 특히 제가 가장 좋아하는 스포츠인 축구의 슛은 회전과 관련된 원리가 숨어 있어요.

Q. 회전의 원리가 적용된 슛은 무엇인가요?
A. 요즘 축구계에서 축구팬들의 관심을 모으는 것 중 하나가 ‘무회전 슛’입니다. 무회전 슛은 공의 정중앙 아래를 정확히 사이드인스텝으로 차서 공이 회전 없이 날아가는 것으로, 이번 올림픽 때 우리나라와 영국 경기에서 지동원 선수가 처음 쏜 슛이 바로 그것입니다.

무회전 슛으로 유명한 축구선수 크리스티아누 호날두 @peacecup / http://www.flickr.com/photos/peacecup/3761042385


무회전 슛은 텔레비전 화면으로 볼 때는 골키퍼가 쉽게 막을 수 있는 듯 보이지만 실제로는 골키퍼 눈앞에서 공이 좌우 지그재그로 움직이거나 상하로 흔들리면서 날아오기 때문에 골키퍼들은 무회전 슛을 마주했을 때 ‘공이 눈앞에서 없어졌다’라고 합니다.

이러한 형태의 공은 골대로 날아올 때, 흔들리다 어느 순간 뚝 떨어지기 때문에 시야에서 사라져 버린 것처럼 보입니다. 그래서 공을 막기가 굉장히 힘들어요. 동시에 그만큼 무회전 슛을 차는 것 또한 쉽지 않습니다. 해서, 무회전 슛을 ‘마구’라고 지칭하기도 하는 것이죠. 마구의 ‘마’는 마법 같다는 의미를 담고 있어서, 골키퍼가 막기 어려운 마법과도 같은 악마의 공이라는 뜻입니다. 

카르만의 볼텍스 http://nopsa.hiit.fi/pmg/viewer/photo.php?id=943060



Q. 무회전 슛에 숨어있는 과학적 원리는 무엇인가요?

A. 무회전 슛에는 카르만의 볼텍스 원리가 적용됩니다. 일반적으로 회전이 있는 공은 소용돌이가 발생하지 않고 바람이 자연스럽게 흘러나가게 되지만 무회전 슛을 찰 때면, 바람이 부는 방향의 반대편 쪽, 공의 뒷부분에서 소용돌이가 발생하게 됩니다.

오사카의 한 교각 뒤의 소용돌이로 인한 안개 : http://osaka.freeblog.hu/page/2/


이와 비슷한 예로 다리의 교각 사이로 물이 흐를 때, 물이 흐르는 방향의 반대쪽인 교각의 뒤편에 소용돌이 현상이 생기는 것을 들 수 있습니다. 또한, 제주도의 한라산에서 구름이 지나갈 때 한라산이 교각의 역할을 해서 바람이 부는 방향 반대편 구름이 소용돌이 모양을 형성하는 것에서도 발견할 수 있지요.

캘리포니아 산 뒤의 소용돌이 모양의 구름 : http://www.flickr.com/photos/flavijus/761332210/


볼텍스의 원리는 액체나 기체에만 적용되는데요, 무회전 슛도 공기의 흐름이므로 유체의 흐름이 같습니다. 이렇게 공의 뒷부분에서 소용돌이가 발생하면, 이 소용돌이가 클수록 공의 흔들림이나 휘어짐도 커져 공을 막기가 더욱 어렵습니다.

*볼텍스 원리 : 헝가리 물리학자 Kalman Vortex가 처음 발견하여 그의 이름에서 볼텍스 현상이란 이름이 유래되었다. Vortex는 소용돌이, 회전체의 중심 이란 의미를 갖고 있으나 실제 볼텍스 현상은 발생원인을 설명하는 것이다.

Q. 무회전 슛이 축구에만 있나요?
A. 야구의 너클볼에도 무회전이 있습니다. 투수가 공을 너클볼로 던졌을 때 공이 흔들리기 때문에서 타자들이 방향을 전혀 예측하지 못합니다. 야구의 너클볼은 던지는 방법이 특이합니다. 일반적으로 투수는 세 손가락으로 공을 감싸듯이 잡고 던지고 공에 스핀이 도는데, 너클볼을 던질 때는 손가락을 접어서 손톱을 공위에 대고 손가락의 악력으로만 공을 던집니다.
손바닥의 힘이 아닌 손가락의 힘으로 앞을 향에 공을 뿌리듯이 던지지요. 그래서 공에 스핀이 생기지 않고 날아가, 무회전 슛과 동일하게 볼텍스의 원리와 같은 현상이 생깁니다. 너클볼을 던지려면 손가락이 크고 그 힘이 좋아하기 때문에 우리나라에서는 보기 드물어요. 주로 미국 메이저리그 선수들이 던지는데, 전설적인 너클볼러로 필 니크로가 유명합니다.

http://www.fotopedia.com/items/flickr-5186097312

Q. 축구의 무회전 슛이나 야구의 너클볼을 방어하는 방법은 없나요?
A. 축구든 야구든 공이 무회전 일 때, 소용돌이가 발생합니다. 소용돌이는 기압이 낮은 부분에서 발생하고, 물체는 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하기 때문에, 기압차로 발생하는 소용돌이가 생기는 방향에 따라 공의 움직임이 변화무쌍합니다. 즉, 공이 날아가다가 내려가기도하고, 순식간에 다시 올라가기도 하므로 공을 방어하기가 굉장히 어렵습니다. 

Q. 무회전 슛의 변화율에 대해서 설명 부탁드려요.

@karpati / Page URL: http://mrg.bz/lA1PbK /Image URL: http://mrg.bz/Dshts4


A. 무회전 슛에 나타나는 카르만의 볼텍스 현상은 볼의 회전수가 제로에 가까울수록, 볼의 스피드가 빠를수록 잘 나타납니다. 무회전 슛으로 유명한 크리스티아누 호날두 선수는 프리킥을 찰 때 큰 보폭으로 다섯 걸음 물러나는 것이 트레이드 마크로 인식되는데, 그의 동작에도 이유가 존재합니다. 무회전 슛은 각력이 클수록 그 위력이 배가 되므로, 슛 할 때의 임팩트도 중요하지만 회전을 걸어 슛을 할 때보다 보폭을 크게 하면 효과가 배가 되는 것이지요. 

Q. 축구에서 무회전과 다른 과학적 원리는 없나요?
A. 무회전과 반대개념으로 스핀을 걸어서 차는 스핀킥입니다. 무회전이 회전이 없다는 것이 특징이라면 스핀킥은 회전의 원리를 이용한 것으로, 마그누스 효과와 관련이 있습니다. 마그누스 효과는 베르누이 법칙의 한 실례입니다. 마그누스 효과는 구기종목에서 포물선과 같이 아름다운 곡선을 만들어내는 효과인데요, 대표적으로 프리킥을 찰 때 공이 반시계방향으로 휘어서 날아가는 경우가 마그누스 효과가 적용된 사례라고 할 수 있습니다.

http://nopsa.hiit.fi/pmg/viewer/photo.php?id=783034



마그누스 효과는 1852년 독일의 물리학자 구스타프 마그누스가 포탄의 탄도를 연구하는 과정에서 발견했습니다. 공의 궤적과 포탄의 궤적과 동일하다고 보면, 쉽게 이해할 수 있습니다. 포탄이 날아갈 때, 포물선을 그리는 것을 알 수 있습니다. 왜 그럴까요? ‘유체의 속력이 증가하면 압력이 낮아지고, 반대로 감소하면 압력이 높아진다.’베르누이 법칙이 적용되기 때문입니다. 다시 말해, 포탄의 표면에서 포탄과 공기의 진행 방향이 같을 경우 공기 유속이 빠르고, 반대일 경우 공기 흐름의 마찰에 의해 유속이 느려집니다. 따라서 포탄의 회전력과 주변 공기의 압력차에 따라 포탄의 진행방향이 포물선을 그리는 것입니다. 

즉, 마그누스 효과는 베르누이 법칙에서 설명하는 압력차이가 양력을 발생시켜 공을 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시켜 공의 방향이 바뀌는 것을 말합니다. 이러한 힘은 회전이 클수록 더 강해집니다.

이제 축구선수 베컴의 킥을 예로 들어보죠. 베컴의 프리킥은 대부분 반시계방향으로 회전하면서 날아가는데요, 이 때 공의 오른쪽 부분은 앞에서 날아오는 공기의 흐름과 부딪쳐 압력이 높아지게 되고 왼쪽 부분은 공의 회전방향과 공기의 흐름이 일치하면서 흐름이 가속되고 압력이 낮아지게 됩니다.
이렇게 되면, 공은 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 휘어져 날아가게 되는 것이죠.

Q. 무회전 슛보다 스핀킥이 프리킥에 더 유리하나요?
A. 방어가 어려운 쪽은 무회전 슛이고 일반적으로 많은 선수들이 날리는 슛이 스핀 킥입니다. 재미있는 이야기 하나 해드릴게요. 축구에서 프리킥을 찰 때 수비를 세우는 거리는 9.15m로 정해져 있습니다. 그 이유는 바로 마그누스 효과 때문이랍니다. 이것은 영국에서 개발한 것인데 프로선수들의 평균적인 프리킥 능력을 종합해본 결과, 직선으로 움직이던 공이 9.15m지점부터 마그누스 효과가 일어난다는 사실을 발견했습니다. 그래서 수비수를 9.15m 거리에 세우는 것이랍니다.

 축구 에이전트 지망생인 안지환 학생과의 인터뷰를 통해 축구에 숨어 있는 회전의 원리에 대해 알 수 있었습니다. 축구에는 이 외에도 더 많은 과학적 비밀이 숨겨져 있다고 하는데요. 다음에 또 다른 비밀을 파헤쳐 보도록 하겠습니다~


 

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

 물 위를 달리는 자전거가 있다?

하얀 거품을 일으키며 파아~란 바다를 시원하게 가로지르는 자전거, 인력선.
과연 어떤 원리로 작동하는가에 대한 궁금증을 해결하고자 6월의 끝 무렵 항구의 도시 울산을 찾았습니다. 전국에 몇 안 되는 조선해양학공학과가 있는 울산대에서 8월에 개최되는 인력선 대회에 참가하는 조선해양공학도인 이승환 학생을 만날 수 있었습니다.


Q. 본인 소개를 간단히 부탁드립니다.
A. 안녕하세요. 저는 울산대학교 조선해양공학부 3학년에 재학 중인 이승환이라고 합니다. 현재 학과 내 학술동아리 특수선연구회의 회장을 맡고 있습니다.

Q. 인력선 대회에 참가한다고 들었는데, 대회에 대한 소개와 참가 동기가 궁금하네요. 
A. 8월에 대전에서 개최되는 HSPVF(인력선-솔라보트 경연대회)는 1999년 이래로 14회째를 맞고 있는 축제입니다. 무공해 에너지원인 사람의 힘과 태양광 에너지를 이용한 보트 축제로 전국의 조선해양학도들이 직접 인력선을 만들고 라이딩 할 수 있는 무대입니다. 저는 작년에 일반회원 자격으로 처음 참가했습니다. 장려상을 수상했지만, 아쉬운 점이 많아서 회장 자격으로 참가하게 되었습니다. 이번 선보일 인력선은 제가 원하는 방향으로 만들고 있는 만큼 자부심을 가지고 있습니다.


Q. 인력선이란 무엇인지 자세히 알려주세요.
A. 인력선은 ‘물 위를 달리는 자전거’라고 보시면 됩니다. 인력선은 모터를 사용하지 않고 자전거 바디와 체인, 페달로 사람의 힘을 동력원으로 사용하는 소형선박이라 할 수 있는데요, 연료를 사용하지 않기 때문에 환경친화적이며 수질오염이나 소음공해와 같은 문제가 발생하지 않습니다. 인력선의 종류는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 바로 ‘배수량선’과 ‘수중익선’입니다. 배수량선이 물에 선체의 일부분이 잠긴 상태로 잠긴 부분의 부력으로 물위에 떠서 주행한다면, 수중익선은 배수량선에 수중날개, 전공용어로 ‘수중익’을 이용하여 고속 주행 시에 날개를 제외한 선체가 물위에 떠서 주행한다는 차이점이 있습니다.

Q. 배가 뜨는 원리와 같은 것인가요?
A. 네. 그렇다고 보시면 됩니다. 이해를 돕기 위해 배가 물에 뜨는 원리에 대해 설명해드리겠습니다. 어떤 물체가 물위에 있으면, 물을 누르는 힘이 가해집니다. 이것은 중력으로 물체가 물에 가라앉도록 하는 힘입니다. 그런데 만약 물체의 밀도가 물보다 적으면 물이 반대로 그 물체를 위로 밀어내는 힘이 작용합니다. 이때, 물체의 전 방향으로 이 힘이 발생하지만, 다른 방향의 힘들은 모두 상쇄되고 수직 방향의 힘만 남아있게 됩니다. 이를 ‘유체정수합’ 이라고 합니다. 유체정수합이 물체에 작용하면 중력의 반대 방향 힘만 남아 물체가 물위에 뜨게 되는 것이지요.

 일반적으로 배는 철로 만듭니다. 철은 물보다 밀도가 높으나 그 안이 비워져 있으면 물체 전체의 총 밀도가 감소해서 물보다 밀도가 작아지게 됩니다. 그래서 배가 물에 뜰 수가 있는 것이죠. 이렇게 배가 물에 뜬 상태에서 사람의 힘으로 자전거 쳇바퀴를 굴려 프로펠러를 돌려서 앞으로 나가게끔 하는 것이, 바다 위의 자전거, 인력선이랍니다.


Q. 배수량선과 수중익선의 차이점이 궁금합니다.
A. 배수량선은 가로 30cm, 세로 4~5m인 선체 두 개 사이에 자전거 프레임이 얹어져 있는 형태입니다. 수중익선은 배수량선에 하이드로 포일이라는 수중날개를 달고 고속 주행을 하는 것입니다. 수중익선의 장점은 물의 저항이 아닌 공기의 저항을 더 많이 받는 다는 것인데요, 공기의 저항이 물의 저항보다 작기 때문에 더 작은 저항으로 주행하게 되어 주행속도가 증가하게 됩니다. 일반적으로 초속 7m로 주행합니다.


Q. 배에 날개를 단 수중익선의 원리에 대하여 좀 더 자세히 말씀해주세요.
A. 배 밑에 있는 날개를 달고 배가 일정 속도 이상이 되면 베르누이 원리에 의해 양력이 발생합니다. 여기서 베르누이 원리란 ‘유체의 속력이 증가하면 압력은 낮아진다’는 다니엘 베르누이의 ‘유체역학'(1738년)의 기본 법칙입니다. 점성과 압축성이 없는 이상적인 유체가 규칙적으로 흐르는 경우에 속력과 압력, 높이의 관계에 대한 법칙이지요. 다시 말해, 유체의 위치 에너지와 운동 에너지의 합이 항상 일정하다는 성질을 이용한 것으로, 완전 유체가 규칙적으로 흐르는 경우에 해당됩니다.

양력에 의해서 선체(날개를 제외한)가 물에 뜨면 물의 저항대신 공기의 저항을 받기 때문에 배수량선 보다 속도가 빠릅니다. 그러나 날개 각도에 따라 배에 적합한 일정속도 기준치는 상대적이라고 할 수 있습니다.

Q. 새로운 방식으로 개발 중인 인력선은 없는가요?
A. 있습니다. 몇 해부터 대회에도 솔라보트 부문이 생겼습니다. 솔라보트는 솔라셀을 이용하여, 태앙열의 힘으로 추진하는 배입니다. 솔라보트의 장점은 청정에너지를 이용하기 때문에 연료비가 없다는 것입니다. 그러나 초기 비용이 많이 발생하는 단점이 있습니다. 솔라보트는 배수량선의 자전거 대신 솔라보트 모터(전동기)를 달아서 그 추진력으로 주행합니다.

Q. 세 배 중에서 가장 빠른 것은 무엇입니까?
A. 가장 빠른 것은 수중익선입니다. 이유는 앞서 말씀드린 물의 저항이 아닌 공기의 저항을 받기 때문입니다. 현재 MIT에서 만든 인력선이 세계 기록을 보유하고 있는데 시속 32.4km/h로 주행한다고 알려져 있습니다. 현재까지 속도가 가장 느린 것은 솔라보트입니다. 그러나 과학적 근거에 따르면 솔라보트가 가장 빠를 가능성이 있지요. 왜냐하면 수중익선으로 솔라보트를 만들 수 있기 때문입니다. 현재까지는 솔라보트 장비가 무거워서 배수량선으로만 만들고 있습니다. 작년에 실제로 수중익선으로 도전한 배가 있었으나 물에 뜨지는 못해서 아쉬웠습니다.

Q. 마지막으로 대회에 대한 홍보와 참가 의지를 보고 싶네요.
A. 배수량선, 수중익선의 메뉴버링과 스프링트, 5000m 전 종목 그리고 솔라보트 부문에 참가했습니다. 여기서 메뉴버링은 곡선주행으로 정해진 코스를 따라서 주행하는 것이고 스프링트는 직선주행으로 예선은 100m, 결선은 200m를 주행합니다. 모든 종목은 각기 다른 매력을 가지고 있지만 스프링트가 백미이지요.
각 배에는 보통 2명씩 타고 직접 라이딩 합니다. 저는 작년에 배수량선의 메뉴버링 전 부문에 출전했습니다. 부분별 입상은 했지만 아쉬운 점이 많습니다. 올해는 종합 삼위를 목표로 하고 있습니다. 올해 대회는 16일부터 18일까지 대전 갑천수상스포츠 체험장에서 열리니 많이 오셔서 응원해주세요.


조선계를 이끌어 나갈 차세대 리더의 면모를 보였던 이승환 학생과의 즐거운 인터뷰를 통해 배의 원리와 물 위에서 자전거가 달릴 수 있는 원리를 알 수 있었습니다. 차세대 조선학계의 앞날에 청신호가 울려 퍼지고 있습니다.

 일본에서는 이미 10년 전부터 전국 규모의 인력선 대회가 열리며 미국, 독일 등의 선진국에서는 인력선과 솔라보트가 상용화되어 전 국민의 사랑을 받는 수상 레저 스포츠로 자리 잡고 있습니다. 이번 기회에 인력선 축제에 참가하여 즐긴다면 여름 더위를 이겨내는 또하나의 방법이 되지 않을까요?


 

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