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?


 

블로그 이미지

굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

현대의 타이타닉, 크루즈의 과학

지난 4월, 타이타닉이 다시 재개봉하면서 타이타닉에 대한 관심도 급증했었는데요.
저도 초등학교 때 비디오로 본 후 매우 감명을 받은 영화였던지라 다시 한 번 극장을 찾아 관람을 했습니다. 극장에서 보니 역시 스케일 자체가 남다르더군요!!
마지막에 잭이 죽는 장면은 다시 한 번 감동을 안겨주었습니다.


우리가 모두 아는 타이타닉의 침몰, 과연 이 비극은 어떻게 일어난 것일까요?
영화에서 다뤄진 것처럼 타이타닉이 빙산에 의한 충돌로 침몰한 것은 자명한 사실입니다.
하지만 그 당시의 선박기술로 보나 크기로 보나, 그 거대한 타이타닉이 한순간에 침몰했다는 것은 조금 믿기 어려운 일인데요. 이번 시간에는 대체 당시 타이타닉에 어떤 문제가 있었는지 알아보고 타이타닉이 침몰한 대양의 위에서 새롭게 달리고 있는 현대의 타이타닉 크루즈의 최첨단 과학에 대해서도 알아보는 시간을 가질까 합니다. 그럼 Let's Go!!

1. 타이타닉 침몰 비밀은 철의 성분?

1912년 타이타닉이 침몰한 후 73년 뒤인 1985년 타이타닉 침몰에 관한 과학적인 조사가 이루어졌습니다. 조사 결과 타이타닉의 오른쪽 앞부분에 10m의 구멍이 있다는 것을 발견하였다고 하는데요. 에게~!! 겨우 10m?? 10m 밖에 안되는 구멍 때문에 269m에 달하는 거대한 배가 침몰할 수 있는 걸까요? 그리고 얼음이 강철을 찢었다는 것도 매우 의아한 일입니다. 보통 구겨는 지지만 구멍이 날 정도로 강철을 찢기는 힘듭니다. 즉, 타이타닉의 외벽은 매우 불량했다는 것을 알 수 있는 것이죠.

타이타닉 외벽의 성분을 분석한 결과 망간과 황의 비율이 낮았다고 합니다. 황은 철의 결합을 약하게 만드는 주범인데요. 망간을 넣어주면 황이 망간에 결합하여 철의 결합을 방해하지 못하도록 해줍니다. 타이타닉은 이 망간과 황의 비율이 현대 저탄소강의 2분의 1 정도로 낮았다고 합니다. 얼음에 외벽이 찢어졌을 수 있다는 것이죠. 또 다른 문제는 바로 철판을 결합시키는 리벳입니다. 조사결과 배의 가운데 부분은 강철 리벳을 쓴 반면 뱃머리부분에는 단철 리벳을 사용했다는 결과가 나왔다고 합니다. 하여 리벳이 분리되면서 구명이 더 크게 벌어졌을 것이라는 추측을 하고 있습니다. 불쌍한 타이타닉호.. 좀 더 신경 써서 만들었더라면 잭과 로즈와 같은 비극은 일어나지 않았을 텐데 말이죠.
아무튼 다 지난 과거이고 현재는 타이타닉의 후배들이 대양 속에 잠들어 있는 선배의 뒤를 이어 대양 위를 신나게 달리고 있습니다. 그 주인공은 바로 크루즈인데요!!

타이타닉 이후 뛰어날 정도로 발전한 세계 선박기술. 지금부터는 최첨단 과학이 담긴 크루즈여객선에 대해 알아보도록 하죠.

2. 첨단과학으로 무장한 타이타닉의 후배들 크루즈!!
 


현대의 크루즈는 타이타닉보다 2만t 이상 큰, 7만t의 거대한 배가 많습니다. 예전에 제가 일본여행을 갈 때 크루즈를 타고 간적이 있었는데요. 엄청난 크기의 배가 움직이는데도 매우 고요하고 안정적인 움직임이 경이로울 정도였습니다.
흔히 크루즈를 대형 여객선의 꽃이라고 합니다. 호화로운 내부 장식과 안락한 실내 환경, 그리고 안전을 책임지는 각종 설비들까지. 여기가 배인지 호텔인지 구분이 안 갈 정도이니까요. 하지만 크루즈를 최고의 여객선으로 만드는 기술은 선박에만 있는 것이 아닙니다. 크루즈는 인구 수천 명의 작은 도시 하나가 통째로 들어와 있는 배라고 생각할 수 있습니다. 안전하면서도 승객들이 집이나 도시에서 즐길 만한 흥미로운 활동을 할 수 있어야 합니다. 이를 위해 고도의 선박 안전 기술과 호텔 건설 기술, 인테리어 기술, 그리고 바다 환경을 보호하는 환경 기술이 집약돼 있다고 볼 수 있습니다.

@quinet / http://www.flickr.com/photos/quinet/48210215

(1) 크루즈의 기본은 역시 안전!!

http://mobileplayer.tistory.com22


앞서 말했듯이 타이타닉호는 빙산에 선박부가 긁히면서 배 안으로 물이 들어와 침몰했습니다. 이런 사고는 그 이후에도 자주 발생했는데요. 무게 때문에 작은 배보다 바다 깊숙이 가라앉는 대형 선박의 경우, 얕은 바다에 가기가 더욱 어렵습니다. 운항 중일 때 배의 뒷부분은 거의 10m 깊이까지 잠기는 반면 선두는 절반도 안 되는 4.4m 정도가 잠긴다고 합니다. 한창 운항 중인 배는 앞부분이 뒷부분에 비해 5m 이상 번쩍 들린 채 운항되는 셈이죠.

좌초가 일어나면 배 안에 물이 들어오는데, 물이 한정된 곳에만 차도록 유도하면 배 전체가 무거워지지 않아 침몰을 막을 수 있습니다. 이를 위해 대형 선박은 안에 벽 같은 세로 시설물을 설치해 들어온 물을 가두는 기술을 도입하였습니다. 이런 벽에는 두 가지가 있습니다. 화재가 날 경우 닫혀 더 이상 불이 번지지 않도록 하는 ‘내화격벽’과 물을 가두는 ‘수밀격벽’이 있습니다.
그리고 입항과 출항을 할때 미세하게 배를 조정하는 방법이 있습니다. 배를 타본 여러분들은 아시겠지만 배에서 보면 왼쪽으로 마치 게가 걷듯 옆걸음으로 움직이는 것을 볼 수 있었을 겁니다. 배가 평소 운항할 때는 로켓이 추진하듯 후미에 있는 거대한 프로펠러를 이용해 앞으로 나아가고, 방향을 바꿀 때는 꼬리지느러미처럼 생긴 키가 추력의 방향을 좌우로 바꿉니다.

Titanic Exhibition(@Joshua Chang / http://www.flickr.com/photos/gmecheese/4731844927)


그럼 어떻게 배가 옆으로 게처럼 움직일까요? 그것은 바로 선측추진기라고 부르는 장치를 갖고 있기 때문입니다. 선측추진기는 배가 앞으로 나아가는 방향과 수직이 되게 설치한 보조 프로펠러로, 입항과 출항을 할 때 부두로 배를 접근시키는 역할을 합니다. 입출항이 잦은 크루즈는 거의 모두 여러 개의 선측추진기를 가지고 있다고 합니다.
최근 짓는 대형 선박에는 좌우로 180° 회전이 가능한 가변형 추진기를 달기도 합니다. 방향을 직접 바꿀 수 있기 때문에 키는 물론 후미의 선측추진기가 따로 필요 없는 셈이죠.

(2) 더 이상의 빙산충돌은 없다!! 해상 충돌 방지시스템

첫 크루즈 여행!! 창밖을 보니 수많은 상선과 LNG선이 시야 가득 바다를 가리고 있습니다. 게다가 해도를 보니 곳곳이 얕고 좁아 위험한 지역 투성이 입니다. 하지만 크루즈에는 이런 위험한 곳을 안전하게 피할 수 있는 첨단 기술이 있다는데요, 과연 어떤 기술일까요?

선장실 내부 모습

항공기나 자동차와 마찬가지로, 배에도 ‘충돌방지시스템’이 있습니다. 해상 충돌방지시스템은 배가 장애물과 충돌하지 않도록 정보를 제공하는 기기입니다. 레이더와 관제정보, 해도를 종합해 접근하는 배나 장애물을 자동으로 찾아내고 레이더로 궤적을 추적한 뒤 안전한 경로를 계산해 보여줍니다. 그리고 모든 위험이 사라지면 본래 항로로 복귀하는 최단경로를 알려줍니다.

앞에 보이는 모니터 장비들이 레이더와 항법장치이다

하지만 바다는 늘 변수가 많습니다. 0.1m 단위까지 표시된 상세한 해도와 레이더장비, 항법장치, 관제시설을 갖췄다 해도 항구를 벗어나는 일은 아직 사람의 세심한 주의를 따라갈 수 없습니다. 코스타 콩코르디아호 사고 직후, 미국의 경제전문지 ‘비즈니스 인사이더’는 해양법률가의 말을 빌려 “항법장치에만 의존한 채 기존 항로를 벗어나 해안에 접근하는 것은 어불성설”이라며, “항구 정보를 잘 아는 경험 많은 도선사의 동행이 필수”라고 말했습니다.

제가 여행을 갔을 때도 현지인 도선사 한 명이 탑승을 했던 것으로 기억합니다. 배가 항구를 떠나자 배에 타고 있던 사람이 다른 배를 타고 항구로 다시 돌아가는 것을 보았는데요. 아마도 현지 항구를 안내해주던 도선사가 아닌가 짐작을 해봅니다. 역시 최첨단 장비도 못하는 것을 해내는 인간의 지혜는 정말 대단한 것 같습니다.
물론 발전하는 선박과학의 미래 역시 앞으로도 기대되지만요.

시간이 지나 언젠가 거대한 크루즈를 타고 대양일주를 해보는 것이 저의 꿈입니다. 안전하고 편안하게 여행할 수 있는 크루즈여행. 여러분들도 한번 첨단과학의 크루즈를 타고 여행해보시는 건 어떨까요?^^


블로그 이미지

굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기