[과학, 명화에 숨다] 코안다 효과

SCIENCE WAVE

 

 

마멋 굴의 공기 순환

 

 

 

 

마멋이 사는 땅굴에는 입구와 출구, 두 개의 구멍이 서로 다른 높이에 있다. 높은 곳에 있는 구멍은 풍속이 빨라서 압력이 작고 낮은 곳에 있는 구멍은 풍속이 느려 압력이 크다. 그래서 공기는 낮은 곳에서 높은 곳으로 불며 굴 속의 공기가 순환된다.

 

 

베르누이-백 Bernoulli's Bag

 

 

긴 풍선처럼 생긴 베르누이-백에 바람을 불어넣으면 백이 부풀어 오른다. 그런데 백을 입에 가까이 대고 불면 잘 부풀지 않는데 입에서 한 뼘쯤 되는 거리에 놓고 불면 단 한 번만 불어도 팽팽하게 된다. 상식적으로는 입을 가까이 대어야 더 잘 불어질 것 같은데 베르누이-백은 멀리서 불어야 공기가 더 잘 들어간다. 왜 멀리서 불어야 더 잘 불어질까?

 

 

 

입을 백의 입구와 거리를 두고 바람을 불면 백 입구 중앙부의 공기 속도가 가장자리의 공기 속도보다 커서 압력이 높은 가장자리의 공기는 압력이 낮은 중앙부로 밀려들기 때문에 압력이 높은 주변의 공기가 백 안으로 빨려 들어가게 된다. 따라서 백과 거리를 두고 바람을 불면 부는 바람뿐 아니라 주변의 공기까지 백에 들어가게 되므로 단 한 번만 불어도 공기가 백을 가득 채우게 되는 것이다.

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코안다 효과

유체의 흐름은 원래의 방향을 따라 직선으로 움직이는 대신에 접하고 있는 곡면의 형상을 따라 표면에 달라붙어 있으려고 하는 경향이 있는데, 이를 코안다 효과라고 한다. 그 이유는 유체가 곡면에 의해서 강하게 잡아당겨지기 때문이다. 코안다 효과로 인해서 움직이는 공기는 방향을 바꾸어야 할 때도 물체의 형태를 따른다. 코안다 효과는 비행기나 자동차의 앞 유리 설계뿐 아니라 공기가 좀 더 효율적으로 순환되게 에어컨을 설계하거나 위치 선정 및 배치에도 다양하게 응용되고 있다.

 

 

연기에 검게 그을린 건물

 

 

Alberto Pasini, Circassian Cavalry awaiting Their Commanding Officer at the Door of a Byzantine Monument; Memory of Orient, 1880

 

 

파시니는 터키와 중동을 몇차례 여행하면서 영감을 받아 동양의 건축적 요소와 신비함에 매료되어 작품을 구성했다. <비잔틴 기념물 문에서 지휘관을 기다리고 있는 키르케스 기병대; 동양의 기억>에서 그림의 오른쪽 모서리에 후광이 있는 인물 모자이크는 기념물이 교회임을 나타낸다. 앞마당의 그늘에서 기병대와 말은 그들의 지휘관을 기다리면서 쉬고 있다. 건물 정면은 두 개의 아치를 포함하여 여러 개의 창틀이 불길에 타버리고 위로 퍼져 올라가는 그을음으로 검게 변했다. 시커먼 그을음으로 뒤덮인 정면과는 대조적으로 건물 바닥은 깨끗한 상태로 남아 있어 비둘기들이 여유롭게 거닐고 있다.

 

 

Market in Istanbul, 1868

 

 

파시니는 낭만주의 양식으로 오리엔탈리즘 주제를 충실하게 묘사한 이탈리아 화가이다. 그는 사치스러운 장식을 통하여 건축물을 호화롭고 우아하게 표현하고 미묘한 동양적인 분위기를 그림에 표현했다. <Market in Istanbul>은 해안가에서 연출되는 이국적인 시장 풍경을 묘사헀다.

 

 

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건물에 화재가 나면 연기는 건물을 감싸며 위로 올라간다. 이것은 더운 공기가 가벼워서 위로 올라갈 뿐 아니라 유체는 면을 따라서 움직이는 특성을 가지고 있기 때문이다. 코안다 효과는 뜨거운 기체가 밀폐된 방에서 퍼져 나가는 데 영향을 준다. 대류 효과와 결합하여 밀폐된 방의 압력으로 인하여 연기와 뜨거운 기체가 창이나 문을 통하여 방으로부터 나간 후 건물의 벽을 따라 위로 움직인다. 즉 연기는 코안다 효과에 의해서 건물의 벽을 따라 올라간다.

 

 

물은 물병의 벽을 따라 흘러내린다

 

 

 

물병에 든 물을 서서히 따르면 물이 바로 아래로 떨어지지 않고 물병의 벽을 따라서 흘러내린다. 즉, 흐르는 유체는 곡면 가까이에 머무는 경향이 있어서 부드러운 표면을 지나칠 때는 직선 경로를 따르는 대신에 표면의 형상을 따라 흐른다.

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촛불 끄기

 

 

 

 

공기도 곡면을 따라 움직이는 경향이 있다. 페트병 뒤에 촛불이 있을 때 병 앞에서 바람을 불면 촛불이 꺼진다. 이를 통해 실린더에 바람이 불면 바람은 실린더를 둘러서 뒤쪽으로 감싸면서 나가는 것을 알 수 있다.

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공중에 떠 있는 탁구공

 

 

 

 

헤어드라이어로 공기를 위로 불어 주면서 공기의 흐름에 탁구공을 놓아두면 탁구공은 떨어지지 않고 공중에 떠 있다. 이는 헤어드라이어에서 나오는 바람의 속력이 빨라 송풍구 위는 공기의 압력이 낮아져 기압이 높은 바깥쪽에서 탁구공을 공기 흐름의 중앙으로 올려놓으므로 공이 옆으로 튕겨져 나가지 않는다.

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마그누스 효과

 

 

 

유체 속에서 회전하며 운동하는 물체와 유체 사이에 상대 속도가 존재할 때 그 물체의 속도에 수직인 방향으로 물체에 힘이 발생하는 현상을 마그누스 효과Magnus Effect라고 한다. 유체 속에서 공이 진행하면 공 주변의 공기가 공의 속력과 같은 속력으로 공을 지나치게 된다. 이때 공이 회전하면 회전하는 방향과 나란한 방향은 유속이 증가되고, 반대 방향은 유속이 감소된다. 베르누이의 법칙에 의하면 유체에서 물체의 속도가 증가하면 그 물체가 유체로부터 받는 압력은 감소하고, 반대로 물체의 속도가 감소하면 그 압력은 증가한다. 따라서 상대적으로 빠른 속도를 갖게 된 공의 아래쪽의 압력은 감소하고, 상대적으로 느린 속도를 갖게 된 공의 위쪽의 압력은 증가한다. 공의 위, 아래에 발생한 이 압력 차이가 양력을 발생시켜 공을 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시키고 이런 힘을 마그누스 힘이라고 한다. 이 힘에 의해 공의 회전 방향(이 경우에서는 아래쪽)으로 휘게 된다. 마그누스 효과는 물체의 회전 방향에 따라 어느 방향으로도 작용할 수 있다.

 

 

축구공의 바나나킥

 

축구 경기를 할 때 선수가 스핀을 주는 데 따라 공이 휘어지면서 골대 안으로 들어가는 경우를 종종 볼 수 있다. 백-스핀을 주면 공이 뜨고, 톱-스핀은 공이 가라앉고 사이드-스핀은 공이 옆으로 휘어지게 한다.

 

 

 

 

마그누스 효과는 공을 의도적으로 휘어지게 할 수 있다. 축구에서 이 효과를 이용한 것이 스핀 킥이다. 스핀 킥은 공을 찰 때 공에 회전을 주어 마그누스 효과가 발생하여 수비수 근처에서 공의 궤적이 휘게 된다. 테니스나 배구에서는 공에 톱 스핀을 가하여 마그누스 효과를 준다. 이 때문에 공이 날아가다가 급격히 떨어지게 된다. 야구에서는 이를 이용하여 업슛을 던진다. 그러나 마그누스 효과가 악영향을 미칠 때도 있다. 골프에서 초보자들이 흔히 겪는 실수로 공에 회전을 주어 마그누스 효과가 발생해 공이 목표 지점에서 크게 벗어나는 경우가 있다.

 

 

 

 

엘니뇨, 라니냐, 무역풍, 편서풍 이야기