부메랑 - 부메랑(Boomerang)은 오스트레일리아 북부 원주민들이 발명한 무기로써 던져진 부메랑이 목표물에 맞으면 타격 후에 그 자리에 떨어지지만 목표물에 맞지 않으면 던진 위치로 돌아오기 때문에 반복 사용이 가능하다. 던져진 물체가 제자리로 돌아온다는 것은 호기심을 유발하기에 충분하다.
부메랑이 제자리로 돌아오는 것은 위로 떠오르게 하는 힘과 방향을 바꾸는 힘이다. 이들 힘은 정압에 의한 힘을 의미하는 것으로 베르누이의 정리로 설명 된다. 이는 비행기를 떠오르도록 하는 양력과 같다고 할 수 있다.
[그림1] 베르누이의 정리
[그림 1]에서처럼 밀도 d인 물이나 공기가 저항 없는 튜브를 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다고 할 때 단면적이 좁은 B점의 유속 VB가 A점의 유속 VA 보다 빠르다. 이는 호스로 물을 뿌릴 경우 출구의 구멍을 작게 하면 물이 빠르게 분출되는 사실로부터 확인 가능하다. 따라서 [그림1]의 베르누이 정리로부터 A점의 정압력 PA가 B점의 정압력 PB 보다 크다. 이런 경우 힘은 정압이 큰 A점에서 정압이 작은 B점 쪽으로 작용한다. 수식에서 1/2dV^2는 동압이다.
[그림2] 비행기의 양력(힘: 빨간 화살표)
[그림2]에서와 같이 비행기 날개 단면을 만들면 베르누이 정리에 의해 힘이 위쪽으로 작용하여 비행기가 뜰 수 있도록 양력이 작용한다. 마치 물속의 부력과 유사하지만 중력에 의한 정압차가 아닌 점이 다르다. 아무튼 베르누이정리에 의한 양력이 곧 비행기의 이륙원리이고, 무거운 비행기가 나르는 원리 즉, 비행기의 원리이다.
[그림3] 부메랑의 단면과 운동경로
[그림3]에서와 같이 부메랑의 단면도 비행기 날개 같이 만들어 부메랑을 기울여 회전시키면서 던지면 불룩하게 튀어나온 쪽을 안쪽이 되도록 원을 그리며 돌아서 제자리로 오게 된다. 또, 위로 솟아오르는 것은 부메랑이 기울여지면 [그림2]의 힘(양력)의 벡터성분 일부가 위쪽으로 작용하기 때문이다. 그리고 방향이 틀어져도 계속 회전하면서 진행하는 이유는 회전관성(慣性)의 의미로 해석할 수 있는 각운동량(관성모멘트x 각속도)을 유지하려는 성질 때문이다. 정압차이에 의한 양력이 회전면에 수직으로 작용하기 때문에 각운동량의 변화를 유발하는 Torque로 작용하지는 않는다. 공기 점성 때문에 발생하는 공기저항에 의해서 각운동량이 감소할 뿐이다.
[4] 앞그림; 중력에 의한 궤도변화(궤도의 옆에서 본 그림, 파란화살표:중력))와
뒷그림; 양력에 의한 부메랑의 궤도 변화(궤도의 위에서 내려다 본 그림, 파란화살표: 양력)
[그림4]의 앞그림은 중력(파란화살표) 때문에 던져진 물체가 직선운동하지 못하고 포물선궤도로 운동하는 모양을 나타낸 것으로 중력은 언제나 지구중심을 향하기 때문에 던져진 물체가 먼 곳에 떨어지지만, 뒤그림은 던져진 부메랑에 양력(파란화살표)이 항상 움직이는 방향에 수직하게 작용하므로써 던진자리로 되돌아 오는 것을 나타내고 있다. 아무튼 다양한 부메랑이 모두 이 원리 즉, 베르누이의 원리와 각운동량 보존법칙에 의해 솟아오르고 회전하여 제자리로 돌아오는 것이다. 단, 부메랑의 기하학적인 크기나 부분적인 경사각, 날개의 길이, 무게 등에 따라서 날아가는 거리나 회전원의 반경이 다르기 때문에 각 부메랑에 적합한 회전속도와 앞으로 투척하는 힘을 조절하여 던져야 한다.
--------------------------- by Dajaehun
