제가 오늘 설명할 것은 궤적 속 유체 역학입니다.
아무래도 제목이다 보니까, 거창하게 지어놨는데 축구를 비롯한 구기 종목에서 공이 흔들리거나 휘거나 뚝 떨어지는 등 다양한 궤적을 그리는 이유를 알아보는 시간이라고 생각해 주시면 되겠습니다.
제가 오늘 다뤄볼 원리는 카르만 효과와 마그누스 효과입니다. 이 두 가지가 공의 다양한 궤적의 핵심이 되는 원리입니다.
첫 번째는 카르만 효과입니다. 무회전 슛 그러니까, 공에 회전이 걸리지 않은 슛이 그리는 궤적의 원리가 되는 그런, 효과입니다.
설명 전에 무회전 슛이 어떠한 궤적을 그리는지 실제 경기에서의 장면을 통해 확인해 볼 것인데 그전에 전해드리고 싶은 것이, 무회전 슛의 경우에는 궤적의 변화폭이 크지 않습니다. 그렇기에 스크린에서 육안으로 봤을 때엔 그 특징을 이해하지 못하실 수가 있습니다. 그렇기에 제 나름의 팁을 드리자면, 공의 회전보단 그리는 궤적에 집중해 주시고, 시야를 넓혀서 골키퍼의 반응을 확인해 주시면 보다 쉽게 무회전 슛의 특징을 이해하실 수 있을 거라 생각합니다.
꽤 먼 거리에서의 득점이죠. 주니뉴 페르남부카누라는 선수의 득점인데, 옛날 경기라 화질 문제도 있고 해서, 축구를 입문하신 독자 분들 중 대부분이 큰 특징을 못 느끼셨을 겁니다.
그런데 이 각도에서 골키퍼의 움직임을 보시면 볼의 궤적을 왼쪽으로 예상해 주춤하는데 공은 오른쪽을 향해 들어가는 것을 확인하실 수 있습니다. 이게 무회전 슛의 불규칙성입니다. 찬 사람도 공이 어느 궤적을 그릴지 모르고, 이런 식으로 궤적이 순간적으로 바뀌는 불. 규. 칙적인 슛이기 때문에 골키퍼는 끝까지 공의 궤적을 확신할 수 없습니다.
자 그럼 원리에 대해 알아보겠습니다. 위의 공은 오른쪽에서 왼쪽으로 찬 공입니다. 회전을 하지 않는 공이 유체, 즉 액체와 기체 등 흐르는 성질의 물체 속에 있을 때, 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르던 유체는 공과 충돌하고 공을 사이에 두고 두 경로로 갈라집니다. 그리고 유체는 공을 넘어가 만나게 되는데, 두 유체의 경로의 차이 때문에 규.칙.적으로 소용돌이가 발생합니다. 그리고 당연하게도 소용돌이의 중심은 태풍처럼 저기압이고 양력은 기압이 낮은 쪽으로 작용하기 때문에 공이 흔들리게 되는 것이죠.
근데, 소용돌이가 규칙적으로 발생하는데, 왜 제가 앞서서 무회전 슛은 불규칙적인 슛이라고 설명했을까요? 사실, 위의 그림은 변수를 제외한 상황을 그려낸 것이고 실제 축구 경기 상황에선 공을 찼을 때의 습도와 온도, 바람 등 고려할 변수가 광범위하게 늘어나기 때문에 공이 불규칙적인 궤적을 그리는 것이죠. 카르만 효과가 작용한 다른 장면도 확인해 보겠습니다.
하칸 찰하놀루라는 선수의 득점입니다. 이것도 거의 하프라인 근처인, 먼 거리죠. 공이 골대 근처에서 갑자기 방향이 꺾이는 것을 확인할 수 있습니다.
자 다음은 마그누스 효과입니다. 공의 궤적이 휘는 슈팅, 대표적으로 감아차기 슛이 있겠죠? 그런 것들의 원리가 되는 효과입니다.
마찬가지로 예시를 볼 것인데, 마그누스 효과의 슛은 무회전 슛보다 궤적의 변화폭이 크기 때문에 상대적으로 육안으로 확인하시기 쉬우실 겁니다.
티아고 알칸타라 선수의 득점인데요, 보시면 아시겠지만 공이 지면에 바운드되지 않았음에도 상승하는 궤적을 그리는 것을 확인하실 수 있을 겁니다.
그러면 원리에 대해서 알아봐야겠죠?
위의 공도 오른쪽에서 왼쪽으로 찬 공입니다. 시계방향으로 회전하는 일명 백스핀이 걸려있는 것을 확인할 수 있죠. 공기의 흐름과 회전 방향이 일치하는 공 위의 공기는 흐름이 빨라지고 기압은 낮아집니다. 반대로 공기의 흐름과 회전 방향이 충돌하는 공 아래의 공기는 흐름이 느려지고 기압은 높아집니다. 양력은 기압이 낮은 쪽으로 작용하기에 공은 위의 방향으로 밀려나게 됩니다. 이 양력을 마그누스의 힘이라고 부르기도 합니다. 이와 같은 원리로 앞서 보여드린 영상에서 공이 상승 궤적을 그리게 된 것이죠.
그렇다면 공의 회전을 옆으로 걸게 되면 어떻게 될까요?
이런 식으로 공이 휘게 되겠죠.
영상을 보시면 아시겠지만 선수는 골대 밖으로 공을 찼지만 동시에 공에 강하게 회전을 넣었기에 마그누스의 힘이 작용해 공이 휘면서 골대 밖에서 골대안으로 휘어 들어온 것입니다.
마그누스의 힘은 반시계방향, 일명 탑스핀 상황에서도 작용합니다. 이 상황에서 공은 뚝떨어지는 궤적을 그리게 됩니다. 이 효과를 활용한 슛이 일명 '드라이 리프 킥'입니다.
이번 예시는 축구보다 더 탑스핀의 특성이 잘 드러나는, 럭비에서의 컨버전 킥 상황입니다.
공에 탑스핀을 걸었는데 대각선 방향으로 걸었기에 공의 궤적이 휨과 동시에 뚝 떨어짐을 확인하실 수가 있습니다.
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