유선형의 원리

 

 국민학교(초등학교) 시절에 배 모양이 유선형(streamline shape)이라고 공부한 적이 있다. 유선형은 앞, 뒤가 뽀족하던가 얇게 만든 형태로써 물고기 모양도 유선형이고 실을 감아 바느질할 때 사용하는 실패(방추)도 같은 모양이라고 해서 유선형을 방추형이라고도 부른다. 유선형은 유체(fluid=gas or liquid)속에서 움직이는 물체에 작용하는 저항력을 작게 한다. 따라서 물고기나 배가 물에서 빠르게 움직이고자 할 때 에너지 소모를 줄이기 위해 유선형을 유지하는 것이다. 

 

                      [그림1] 참치(from fixabay.com)와 다이빙 선수(from sports.chosun.com

 

 다이빙 선수가 입수할 때 손을 앞으로 뻗어 입수하는 이유도 유선형을 유지하여 전단 부분의 수면에 가해지는 충격면적을 줄여서 유선(stream line)이 흐트러지지 않도록 하는 것이며 뒤 발목을 발레리나처럼 곧게 펴는 이유는 발바닥 면에 생기는 난류(turbulence)를 방지하여 물이 솟구치지 않도록 하기 위함이다. 한마디로 몸을 유선형으로 유지하려고 노력하는 것이다. 유선형을 유지하지 못해 다이빙 선수의 발바닥 부분에 난류가 형성되면, 저기압이 되므로 입수시 물이 몰려들고 한 부분으로 몰려드는 물은 충돌하여 위로 솟구치게 된다. 물이 많이 솟구칠수록 점수는 낮다.

 

                              [그림 2]유선 흐름에 대한 물체 모양의 영향(from www.slideshare.net)

                              (그림2의 각 물체는 운동하는 전면에서 볼 때 단면적의 크기가 같다) 

 

 [그림 2]에 물체의 모양에 따라 유체내에 운동하는 물체에 나타나는 저항을 나타냈다.  (a)의 평판의 경우 전면부에 유체 분자의 충돌에 의한 저항과 평판 뒤에 나타나는 난류 때문에 저항이 나타나는데 이 때의 저항을 100으로 볼 때, (d)의 유선형의 경우는 평판의 5%의 저항력을 받는다. 구(球)형은 50%의 저항력을 받는다. [그림 2]를 보면 왜 움직이는 물체의 모양을 유선형으로 만드는지를 쉽게 파악할 수 있다. 자전거용 헬멧의 뒤 쪽 모양이나 트럭의 운전석 위쪽 곡면 덮개, 승용차의 유려한 곡면 형성 등 등, 저항력을 줄이려고 노력하는 예는 상당히 많다.

 

 특히, 일본의 고속전철인 신칸센 500계열의 열차가 그 이전 모델이 터널에 들어갈 때나 터널을 빠져 나올 때 소음과 진동이 심해서 이를 없애기 위해 지금의 긴 부리와 같은 앞 부분을 갖게 되었다는 일화는 유명하다. 고속전철의 앞 전단을 [그림 2]의 (a)와 같이 만들면 저항력이 커지면서도 터널로 들어갈 때 전단부에 압축된 공기가 불규칙한 모양의 터널벽과 전철 사이로 빠져 나오면서 정압력차가 불규칙해 지면서 고속전철이 심하게 흔들린다. 승객들의 불평이 쏟아지는 것은 당연하다. 이에 엔지니어들이 문제를 해결하려고 노력하는 중에 물총새가 물속으로 다이빙하는 모양에서 힌트를 얻어 현재의 신칸센 500계열의 고속전철 모양으로 전철을 만들어 충격파 소음과 진동 문제를 해결할 수 있었다. 

 

                      [그림 3] 물총새(www.nemopan.com)와 신칸센 500계열 고속전철(whotalking.com)

 

 유선형 물체가 저항력을 덜 받기 때문에 같은 속도로 운동하는 경우, 에너지 손실이 작게 나타난다. 결국 유선형은 물체와 유체 사이의 점성(viscosity)이 아니라 유체분자의 정면충돌에 의한 운동을 방해하는 충격력과 운동 물체의뒤쪽의 저기압에 의한 물체의 진행을 방해하는 압력의 합이 전체 저항력으로 나타난다. 사실 유선형으로 물체를 만들면 유체와 물체의 접촉 표면적은 더 넓어지기 때문에 점성력은 더 증가해야 한다. 점성력은 유체와 물체의 접촉면에 있는 분자나 원자의 전기력이 원인이기 때문이다. 그러나 유선형의 전체 저항력이 오히려 작다는 것은 점성력이 저항력보다 무시할 정도로 작다는 의미이다.  

 

 사실 저항력이나 점성력 모두 운동하는 물체의 속도가 증가하면 기하급수적으로 증가하지만 움직이는 속도가 작은 경우, 크기가 작을수록 부피 대비한 표면적의 증가로  점성력이 상대적으로 크게 작용한다. 그러므로 미소한 세계에 속하는 미생물은 이동할 때 스크류(screw) 방식보다는 섬모나 편모로 움직이는 것이 더 효율적이다. 그래서 짚신벌레는 섬모운동을 하고, 유글레나는 편모운동을 한다. 

           

       ----------------------------- by  Dajaehun