골프공의 과학 레이놀즈의 수

 

 

거의 모든 운동경기의 공들이 구형의 매끄러운 공을 사용하는 것과 달리

골프공은 움푹움푹 들어간 표면을 갖고 있다.

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일반적으로 골프공이 매끄럽지 못하기 때문에 더 멀리 날아가지 못하리라고 생각할 수 있지만

골프공은 오히려 이런 특성으로 인해 멀리 날아갈 수 있다.

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공을 멀리 보내서 먼저 홀에 넣어야 하는 골프의 특성상 골프공은

다른 공들 보다 멀리 날아가야 하는 것이 관건이다.

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골프공은 원래 회양목으로 만든 나무공이었다. 그러나 회양목으로 만든 골프공은

골프채로 칠 때 멋진 소리를 냈지만 멀리 가지는 못했다.

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그 후 쇠가죽을 바느질해 만든 껍데기 속에 삶은 깃털을 채우고 돌덩이처럼 말린 후

나무망치로 두들겨 둥그렇게 만들었다. 이렇게 만든 골프공은 나무공보다 멀리 날아갔다.

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새로 산 매끄러운 공을 자꾸 치다보면 공이 닳게 되고 표면이 거칠게 변했고,

이런 공들이 새 공보다 멀리 날아간다는 사실을 알게 됐다.

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골프공의 비거리는 공기저항과 밀접한 관계가 있는 데 공기저항은

공기의 밀도와 저항을 받은 면적(CdA : 견인계수와 전면적의 곱),

그리고 공기의 속도에 비례해 증가한다.

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공기 저항에는 두 가지 종류가 있다. 우선 공의 앞 뒤 표면에 작용하는 압력의 차이 때문에 생기는

`형상저항`이 있는 데 이는 물체의 모양에 따라 다르게 나타난다.

두 번째는 공기와 공의 마찰로 인해 발생하는 `마찰저항`이다.

공은 형상저항이 전체저항의 대부분을 차지하므로 형상저항을 줄여주면 공은 멀리 날아간다.

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공이 날아갈 때 공기는 공의 표면을 따라 흐르게 된다. 그러나 공의 속도가 커지면

공기의 흐름은 공의 중간쯤부터 표면에서 멀어진다.

이 경우 공의 중간 이후부터 공기의 속도가 급격하게 떨어지고, 공기 흐름의 방향이 바뀌어

공 뒤쪽의 압력이 떨어진다. 그러면 공의 앞쪽에는 높은 압력이 나타나고,

뒤쪽에는 낮은 압력이 발생하여 큰 형상저항이 형성되므로 공은 멀리 갈 수가 없다.

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이와 달리 공의 표면에 돌기를 주면 앞 표면에서 난류가 발생해 공기의 섞임이 활발하게 이뤄져

공기의 흐름이 바뀌는 것이 공의 뒤쪽에서만 발생한다.

이렇게 되면 낮은 압력이 나타나는 공의 표면이 줄어들게 돼

공의 형상저항이 감소, 공은 멀리 날아 갈 수 있게 된다.

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그렇다면 날아가는 모든 물체의 표면을 곰보로 만들면 공기저항을 줄일 수 있을까?

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과학자들의 실험결과 돌기를 만들어도 물체의 크기와 속도에 따라 형상저항이 감소하는 것이 있고

그렇지 않은 것이 있다는 사실이 밝혀졌다.

실제로 총알의 표면에 돌기를 만들면 날아가는 거리는 더 떨어진다.

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날아가는 물체의 표면에 돌기를 만들었을 때, 더 멀리 날아갈지 아니면 그렇지 못할지 판단할 수 있는 것이

`레이놀즈의 수`라는 것이다. 레이놀즈의 수는 단위가 없는 상수로,

날아가는 물체의 밀도ㆍ속도ㆍ길이와 점성률의 비로 표현되며,

이 원리는 유체역학의 아버지로 불리는 레이놀즈가 1883년에 발견했다.

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물체 표면에 돌기를 만들어 공기저항을 감소시킬 수 있는 레이놀즈 수의 범위는 4만 40만 정도로,

이 범위를 벗어나면 오히려 저항이 커져 날아가는 거리가 줄어든다.

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골프공이 날아갈 때 레이놀즈 수는 5만 15만 정도이기 때문에 표면에 돌기를 만들면 거리를 늘릴 수 있다.

그러나 탁구공 같은 경우는 레이놀즈 수가 4만 이하여서 일부러 표면을 매끄럽게 만든다.

실제로 매끈한 골프공보다 곰보형의 골프공이 두 배 이상 멀리 날아간다.