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종이접기만으로 부메랑을 만든다!

  안녕하세요? 국가과학기술위원회 블로그 기자단 2기 이다호라입니다.

  "사랑은 돌아오는 거야!" 지난 2003년, 뜨거운 화제를 몰았던 드라마 "천국에 계단"에서 권상우가 부메랑을 던지고 다시 그것을 받았던 장면을 기억하시나요?

부메랑 @BruceTurnerhttp://www.flickr.com/photos/whiskeytango/347433361/

  던지면 다시 제자리로 돌아오는 부메랑, 이 ‘부메랑’이란 이름은 한 오스트레일리아 원주민 부족의 이름에서 유래했습니다. 이 원주민들은 활모양의 편평한 나무막대기로 된 부메랑을 사냥과 전쟁에서 사용하였습니다. 사실 이 사냥용 부메랑은 다시 돌아오지 않는답니다. 다시 되돌아온다면 던진 사람의 목숨까지 위협할 수 있겠죠?

  제자리로 돌아오는 부메랑은 사냥용에 비해 작고 가벼워서 보통 놀이용으로 쓰였습니다. 현재는 V자 모양의 부메랑뿐만 아니라 다양한 재료를 가지고 다양한 모양의 부메랑 제작이 가능합니다. 하지만, 종이 한 장만 가지고도 부메랑을 만들 수 있을까요? 그리고 부메랑이 다시 돌아올 수 있는 원리는 무엇일까요? 오늘 그 질문들에 대한 답을 풀어나가도록 하겠습니다. 
 

부메랑의 원리

  부메랑이 날아서 다시 돌아오는 데는 양력, 중력, 회전력, 공기저항의 4가지 요소가 중요합니다. 여기서 양력을 이해하려면, 먼저 공기가 ‘유체’라는 것을 이해해야 합니다. 우리는 물처럼 흐르는 물질을 유체라고 하는데요, 공기도 바람에 따라 이동하는 유체랍니다. 그런 유체 속에서 물체가 운동하는 방향에 수직으로 작용하는 힘이 양력입니다. 쉽게 말하면 유체에서 물체가 뜰 수 있도록 하는 힘이라고 할 수 있습니다.

비행기가 날 수 있는 이유도 양력을 이용했기 때문이랍니다. 공기 중에서 비행기를 띠워주는 양력은 공기의 밀도 차이에 의해서 생기게 됩니다. 공기 중에서 비행기가 이동하게 되면 공기와 부딪히게 되는데요, 상대적으로 굴곡이 있는 비행기의 위쪽에는 공기가 분산되고, 평평한 아래쪽에는 위쪽에 비해 상대적으로 공기가 균일하게 됩니다. 볼록한 날개 위쪽의 공기는 편평한 아래쪽의 공기와 똑같이 움직이기 위해 속도가 빨라지게 되고, 이때 날개 위쪽의 공기의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지면서 비행기의 진행방향과 수직인 위쪽으로 양력이 나타나게 됩니다. 부메랑에서는 부메랑 자체의 회전력이 양력을 더욱 크게 만들어준답니다.

  여기서 양력과 반대방향으로 작용하고 있는 힘은 바로 중력입니다. 중력은 물체를 지구 중심방향으로 끌어당기는 힘으로 중력과 양력이 평형을 이루고 있기 때문에 비행기가 뜰 수 있는 것입니다. 마지막으로 공기저항은 공기 속을 운동하는 물체가 공기로부터 받는 저항으로, 부메랑의 운동을 방해하는 역할을 하게 됩니다. 이 네 가지 요소들이 조화롭게 균형을 이루면서 부메랑이 날아서 다시 돌아올 수 있도록 만들어줍니다. 그럼 이제 부메랑이 날 수 있게 도와주는 네 가지 요소들을 이해하셨나요?

다양한 모양의 부메랑 @electricnervehttp://www.flickr.com/photos/electricnerve/2203257946/

  앞의 네 가지 요소를 고려해서 제작한 부메랑은 대표적으로 A형(V형), 삼각형, 십자형 부메랑이 있습니다. A형 부메랑은 가장 기본적인 모양으로 가장 많이 사용되는 부메랑입니다. 날개가 두 개이기 때문에 공기의 저항이 적어서 멀리 날아갈 수 있게 됩니다. 하지만 날개가 많은 부메랑 보다는 던지는데 기술이 필요하답니다. 삼각형 부메랑은 날개가 세 개로, A형 부메랑보다 비행 거리가 짧습니다. 하지만 초보자들이 던져도 쉽게 되돌아 올 수 있습니다. 날개가 많을수록 비행거리는 좀 더 짧아지는데요, 십자형 부메랑은 세 가지 종류 중에 가장 비행거리가 짧으며 아주 쉽게 되돌아오기 때문에 좁은 공간에서도 날릴 수 있습니다.

부메랑은 어떻게 던져야할까요? @popofatticushttp://www.flickr.com/photos/barretthall/3161794874/

  하지만 부메랑은 그 모양뿐만 아니라 던지는 방법도 매우 중요합니다. 요령 있게 던지지 않으면 다시 돌아오지 않는답니다. 부메랑을 잡을 때도 볼록한 면이 자기 쪽으로 오게 하고, 엄지손가락 붙여서 잡아야합니다. 부메랑은 미세한 바람에도 영향을 받기 때문에, 바람을 정면으로 마주하여 오른손잡이는 몸을 오른쪽 45도 방향으로 서서 부메랑을 던져야 합니다. 왼손잡이는 왼쪽으로 45도 방향으로 서서 부메랑을 던져야 해요. 부메랑을 던지는 각도와 높이도 중요한데요, 어깨보다 10도 위에서 나무나 건물의 꼭대기를 목표로 하고 던지는 것이 좋습니다. 마지막으로 되돌아오는 부메랑을 잡을 때는 두 손바닥을 땅과 평행하게 놓은 뒤, 샌드위치처럼 포개서 잡으면 된답니다.

  부메랑은 나무, 플라스틱 등 다양한 재료로 제작합니다. 사람들은 흔히 부메랑이 두껍고 딱딱해야 된다고 생각하지만, 얇은 A4용지 한 장으로도 부메랑을 만들 수 있답니다. 그럼 지금부터 그 방법을 알아볼까요?

종이부메랑

  만드는 방법이 조금 복잡해서 유튜브에 올라온 동영상을 참고해주세요.   
  http://www.youtube.com/watch?v=_kprLtErg8U

  먼저 (1) A4용지 한 장을 준비하여 (2) 위와 같이 둘로 나눕니다. (3) 다음으로 길게 반을 접었다가 (4) 양쪽 끝을 중심점에 맞게 접어주세요. (5) 양쪽을 다 접어주시면 됩니다. (6) 이번에는 길게 반을 접어주세요.

  (7) 다음으로 양쪽 위를 세모나게 접고, (8) 다시 펼쳐서 처음에 접었던 오른쪽 면만 펼친 뒤, (9)처럼 모양을 잡아주세요. (10) 그 모양대로 접으시면 V자 모양이 나오고, (11) 나머지 한 면은 그 위로 살짝 접어 모양만 낸 뒤, (12) 다시 펼쳐주세요.

  (13) 오른쪽 날개의 안쪽에 접혀있던 면을 펼치고 (14) 모양을 잡아주어 (15) 왼쪽 면과 연결되도록 접어주세요. (16) 왼쪽 날개를 펼친 뒤 (17) 양쪽 끝을 세모나게 접어주세요. (18) 그다음 접었던 오른쪽 삼각형 부분을 모두 펼칩니다.

  (19) 삼각형으로 접혀진 부분을 다시 반대로 넣어서 (20)과 같이 접어줍니다. (21) 그러면 오른쪽 삼각형 부분에 틈이 생기는데 (22) 이 부분으로 왼쪽에서 접었던 삼각형을 집어넣어줍니다. (23) 마지막으로 다른 날개도 똑같이 19-22를 반복합니다. (24) 종이부메랑 완성!

종이부메랑 던지는 방법

  이제 다 만들었으니 던지는 법을 배워야겠죠? 먼저 (1) V자의 아래 부분을 엄지와 검지로 살짝 잡은 뒤, (2) 세 번째 손가락을 살짝 뒤 쪽에 대주세요. (3) 다음에 손목의 반동을 이용해 (4) 안쪽에서 바깥쪽을 향해 던져주세요.

  만들어보면 생각보다 종이 부메랑이 잘 날아간답니다. 어느 정도 익숙해지면 다시 받는 것도 식은 죽 먹기죠! 그럼 이제 직접 만들어서 날려볼 여러분의 차례입니다. 그럼 다음 기사에서 만나요!

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

하늘을 나는 배, 위그선을 아시나요?

자기부상열차(magnetic levitation train). 우리나라도 2013년부터 운행을 계획하고 있는 도시형자기부상열차는, 잘 알려진 대로 ‘자기력을 이용해 차량을 선로 위에 부상시켜 움직이는 열차’입니다. 바퀴가 없는 기차, 즉 ‘하늘을 나는 기차’라고도 표현할 수 있을 겁니다.
원래부터 하늘을 날았던 비행기, (기차의 신분이지만 매우 낮게나마) 날고 있는 자기부상열차처럼 바다에도 하늘을 나는 배가 있는데요. 여기서는 그 주인공인 ‘위그선’을 소개코자 합니다.

위그선

@Jeff McNeill / http://www.flickr.com/photos/jeffmcneill/2948059126

위그선(WIG Craft; Wing-In-Ground Craft)은 수면에 근접해 비행하는 배를 일컫습니다. 우리 말로는 ‘수면비행선박’이라 이름 붙이고 ‘표면효과를 이용하여 수면에 근접해 비행하는 선박’이라고 정의내리고 있고요.

1960년대 옛 소련의 군사적 목적으로 처음 모습을 드러낸 위그선은, 대형의 경우 시속 300km에 육박할 정도로 빠른 것이 장점입니다. 화물선, 여객선 등 일반 해상 수송수단의 속도가 100km를 넘는 것이 많지 않음을 생각했을 때(수상 택시도 최고 70km정도라고 하니까요), KTX 속도에 맞먹는 위그선의 스피드는 바다에서의 이동을 한결 빠르게 가져오게 되었습니다. 물론 아직 세계적으로 실용화가 되지 않아 많은 사람들에게 낯선 수송수단이지만, 지구의 표면적은 바다가 땅보다 두 배 넓은 만큼 미래에는 가장 필요한 배가 될지도 모릅니다.

위그선의 원리
위그선은 기존 선박들이 운항을 할 때, 물에 의해 받는 저항을 줄여 속도를 높이기 위해 수면 위로 살짝 띄운 배입니다. 일반적으로 배의 속도가 느린 이유는 바닷물과의 마찰 때문인데요, 공기가 물보다 상대적으로 저항이 작은 것은 당연한 얘기겠죠? 이런 발상을 바탕으로, 배의 몸 전체를 수면 위로 띄운, 즉 배에 날개를 단 것이 위그선인 셈이지요.

위그선의 원리를 이해하기 위해, 우선 비행기가 날아오르는 원리부터 살펴보고자 합니다. 비행기가 공중에 뜰 수 있는 것은 ‘날개’ 때문입니다. 물론 날개가 있다고 모든 물체가 날아오르지는 않지요. 비행기의 날개는 윗면의 면적을 아랫면보다 크게 만들어, 윗면을 지나는 공기들이 면적이 좁은 아랫면을 지나는 공기보다 빠른 속도를 가지게 합니다. 공기의 흐름이 빠른 곳일수록 압력이 낮아지고, 그 반대에는 압력이 높아지는 ‘베르누이 정리’에 의해 비행기 날개 역시 윗면의 압력이 상대적으로 낮아지게 됩니다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯, 비행기도 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데, 이런 원리에 의해 날개 아래의 공기들이 비행기를 위로 올라가게 하는, 이른 바 ‘양력’을 만들어 내는 것입니다. 그리고 떠오른 비행기를 앞으로 나아가게 하는 것은 엔진에서 나오는 ‘추력’이고요.

@Freakland - フリークランド / http://www.flickr.com/photos/freakland/212331246

위그선이 움직이는 원리는 비행기와 조금 다릅니다. 비행기가 지면보다 훨씬 높게 비행하며 ‘양력’을 낸다면, 위그선은 지면에서 가깝게 비행하며 ‘지면효과’를 이용합니다.
지면효과는 비행기 기체가 지면 가까이로 다가가면서 날개 아래쪽의 경계면(수면 같은) 때문에 날개 주위의 공기 흐름이 변하게 되면서 경계면으로부터 수직으로 받는 힘이 커지는 원리인데요, 날개가 경계면에 가까워질수록 아래쪽 공기의 속도가 더욱 낮아져, 압력이 커지면서 수직 방향으로 받는 힘이 증가하는 시스템입니다.

‘지면효과’의 장점은 또 있습니다. 기체가 상공에 있는 비행기는, 날개 밑의 공기가 날개 아래에서 날개를 받쳐 주다가도 끝 지점에서 더 이상 받칠 게 없어 둥글게 돌아 날개 위로 올라오는 ‘와류’를 발생시키며 비행기의 진행을 방해하는 데요, 위그선은 경계면에서 가깝기에 이러한 와류의 발생도 줄어듭니다

구소련의 초거대 위그선 에크라노플랜


 
비행기 보다 위그선
위그선이 상용화된다면, 중국이나 일본처럼 바다 건너 가까운 거리의 나라를 훨씬 빠르게 왕래할 수 있게 되겠지요. 일반적으로 비행기는 정상 비행을 위해 고도까지 오르락내리락 하면서 적지 않은 시간을 소요하기 때문입니다.
또한 활주로가 없는 섬을 갈 때나, 우리나라의 동해․서해․남해를 바다로 일주하고 싶을 때 무엇보다 위그선이 매력 있는 이동수단이 될 것입니다.

우리나라가 개발한 위그선, 갈매기호


앞서 언급했던 것처럼, 1960년대 옛 소련에서 최초의 위그선을 세상에 등장시켰지만, 기록에는 1920년부터 지면효과를 이용하여 실험용 배가 건조되기도 했었다고 합니다. 이후 1990년대 이후에 독일, 러시아, 중국, 미국, 호주 등에서 2~16인승의 소형 위그선 개발 연구가 진행되었고, 관광용․군사용 등으로 여러 모델을 내 놓기도 했는데요, 아직 수백명을 동시에 태울 수 있는 상업용 대형 위그선은, 경제성․효율성 등을 이유로 개발이 미뤄지고 있습니다.
삼면이 바다로 둘러싸여 있고, 세계 최고의 조선공학 기술을 가지고 있는 우리나라. 미래, 전 세계에서 가장 크고 빠른 우리의 위그선이 세계의 바다를 가르길 기대합니다.

 


글 | 국가과학기술위원회 블로그기자 김 병 호

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