(역학이야기) 골프공의 공기역학

    

이번에는 진동관련 이야기는 잠시 접고 이번에는 유체에 대한 이야기를 잠깐 할까 합니다.
이번에는 공... 그중에 골프공에 관련된 이야기입니다.

골프공에 관한 이야기는 많이들 들어보셨을 겁니다. 중에서도 골프공 표면에 새겨져 있는 홈에 대한
이야기를 특히 많이 들어 보셨을 거구요 골프공 표면에 새겨진 홈을 딤플이라고 부릅니다. 딤플은
공기 역학적 끌림(Aerodynamic drag)현상을 줄여주는데 중요한 역할을 하죠.
이 현상을 줄이는 것이 왜 중요하냐? 요게 역학적으로 중요한 부분입니다. 이걸 이해하려면 우선
베르누이 방정식을 이해 하셔야 합니다. 일단 방정식을 써 보면

여기서

※ 베르누이 방정식은 비압축성, 정상상태, 비 점성, 하나의 유선을 따라서 이동 한다는 조건 하에서만
    유효 합니다.
      비압축성 - 압력이 변해도 밀도가 변하지 않는것
      정상상태 - 시간에 따른 유체의 흐름, 열 등이 변하지 않는 상태
      비 점성 - 공간에 따른 전단응력의 변화가 없는것
      하나의 유선을 따라서 - 변위가 하나의 유선을 따라 이동
              (유선 - 운동하고 있는 유체에서 각 점에 대한 접선의 방향이 유체가 흐르는 방향과 일치 하도록
                그은 가상적인 곡선, 유체의 흐름을 나타내는 곡선)

베르누이 방정식에서 각 항의 합이 일정하다는 것을 눈여겨보셔야 합니다.
정수압이 일정하다고 가정했을 때 동압이 커지면 정압이 감소하고, 동압이 감소하면 정압이 커지죠!
이게 포인트입니다.

왜 포인트냐? 다시 골프공으로 넘어오겠습니다.

(퍼온 그림입니다. 제 그림이 아닙니다. 하지만 출처를 모르겠습니다.ㅋ)

골프공이 빠른 속도로 움직이면 골프공 뒤쪽에 난류유동으로 바뀌고 와류가 형성됩니다.
때문에 유동의 흐름이 빨라지게 됩니다. 유동의 흐름이 빨라지면 상대적으로 압력이 낮아지게
되서 골프공이 앞으로 나가려는 힘을 방해하게 되죠.
물속에서 손바닥을 세워서 빠르게 이동하려고 하면 손바닥 뒤편에 물이 요동치면서 움직이는 걸
목욕탕에서 한번쯤 다들 경험해 보셨을겁니다. ㅋ? 이것과 같은 원리 입니다.

딤플이 있는 경우 이러한 와류가 생기는 영역이 작게 분포되고 딤플이 없는 경우 상대적으로 이러한
영역이 크게 분포되어 딤플이 있는 경우 없는 경우보다 골프공이 더 멀리 나간다는 것입니다.

※ 이것에 관련된 이론은 아직 100% 수치적으로 해석이 불가능 합니다. 이는 난류유동 때문인데요
   기상정보를 완벽하게 해석할 수 없는 이유도 이 난류유동 때문입니다. 물리학계에서 풀리지 않는
   문제 중 하나에 속합니다.

수치적으로 완벽히 해석 불가능하기 때문에 아직까지도 딤플의 개수나 생김새에 관한 이야기들은
대부분 가설입니다. 이와 관련된 메커니즘을 분석에 성공한 것도 몇 년 되지 않았습니다.
2006년 서울대에서 실험을 통해 딤플이 난류를 발생 시키는 원리를 찾아냈죠.
골프공에 관한 이야기는 이해 하셨나요?

베르누이 방정식에 대해서 조금 더 설명 하도록 하겠습니다.
야구에서는 포크볼, 탁구에서는 드라이브가 이를 설명하기 좀 쉽겠군요.

빨간색 공이 스핀이 걸리지 않은 원래 경로라면 파란색 공이 스핀이 걸린 즉 포크볼, 드라이브
공이라고 표현 할 수 있겠습니다. 스핀이 걸리면 공이 밑으로 스핀이 걸리지 않은 경로보다
빨리 공이 떨어지는 이유는 아래 그림을 보면 쉽게 이해 하실 겁니다.

초록색 선이 공기의 흐름이고 빨간색 선이 공의 회전 방향일 때 위쪽 공기의 흐름은 속도가 줄어들고
아래쪽 공기의 흐름은 속도가 빨라집니다. 때문에 위쪽은 압력이 높아지고 아래쪽은 압력이 낮아져
공을 끌어 내리려는 힘이 작용하게 되죠. 이를 마그누스 효과라고 합니다.
이를 이용하면 축구공에 스핀을 걸었을 때 왜 좌우로 방향이 바뀌는지 이해하실 수 있으실 겁니다.
회전 속도가 빠르면 빠를수록 방향도 더 많이 바뀌겠죠.



자 이렇게 간단하게 유체에 관한 설명을 드렸습니다. 사실 열이나 유체쪽은 전공이 아니라 세부적인
내용들은 잘 모르겠습니다. 그냥 요즘 골프대회도 하고,,, 뭐 그래서 올려봤습니다.
질문은 댓글 주시거나 메일 보내 주시구요 이번이야기는 여기서 마치겠습니다.