고속영상촬영으로본공기저항의원리
한 여름 동안 사용했던 선풍기는 날개에 먼지가 많이 쌓인 모습을 볼 수 있다. 선풍기 날개는 바람을 일으켜 먼지를 멀리 날려 보낼 것 같은데, 오히려 날개의 가장자리에 먼지가 수북하게 쌓여 있다.
풍동 실험실에서 날아가는 공의 모습을 촬영하면, 공의 뒷부분에는 공기가 소용돌이치는 모습을 볼 수 있다. 그러나 공의 앞부분에서 중간정도까지는 마치 공기들이 피해가듯이 매끈한 모습을 볼 수 있다. 이렇게 매끈한 부분은 공기의 흐름이 정지되어 있는데, 이 부분을 경계면이라고 한다. 선풍기의 날개가 바람을 치는 부분은 바로 경계면이 되어 먼지가 공기 중의 습기와 함께 쌓이게 되는 것이다.
경계면이 넓을수록 유선형이 된다.
골프공의 딤플은 경계면을 확장시키는 역할 뿐만 아니라 공의 주변에 흐르는 공기의 속도차를 크게 해 양력의 효과를 높이는데 기여한다. 골프공은 표면이 매끈한 공보다 표면이 거친 공이 더 멀리 날아간다는 것을 경험으로 알게 되었고, 이러한 경험은 고속 영상 카메라의 촬영을 통해 원리와 법칙을 찾게 된 것이다.
과거 축구공은 여러 개의 조각을 되어 있는 반면에 요즘의 축구공은 과거보다 훨씬 매끄럽고 솔기도 없다. 그러므로 발전된 현재의 축구공은 과거의 축구공보다 경계면이 좁고 공기저항도 더 크다.
공기저항은 더 커졌지만, 축구공은 일정한 변형이나 부드러운 구조로 발전한 반면에 한 단계 더 높은 축구 킥의 기술을 요구하고 있다.
경계면이 넓고 가장 유선형의 형태를 가진 조건은 자연 속에 있다. 상어의 비늘은 올록볼록한 모양으로 되어 있었고, 상어는 돌고래나 다른 유선형의 물고기보다 더 유선형이라는 것을 알게 된 것.
상어의 피부 모양은 항공기의 표면으로 적용되었고, 이러한 아이디어는 지금의 전신 수영복으로 발전했다. 전신 수영복의 특징 중 하나는 소재의 조직을 상어의 피부 모양과 유사하게 만들어 물과 접촉되는 부위의 경계면을 확산시키고 물속의 저항을 최소화하는데 있다.
이순호 KISS 책임연구원
