[물리학이야기]생활속 물리현상 6부






축구안의 물리학

 

1. 베르누이의 정리(마그누스 효과)

"압력 + 1/2×(유체밀도) + (유체속도)2 = 일정" 

유체의 밀도는 거의 항상 일정하므로 유체의 속도가 빠르면 압력은 작아지고 유체의 속도가 느리면 압력은 커진다는 것을 알 수 있다.



그림의 커브공을 보면 공의 윗부분은 공의 회전방향과 공기의 방향이 같고 밑부분은 공의 회전방향과 공기의 방향이 서로 반대가 되므로 윗부분의 속도가 밑부분의 속도보다 큽니다. 따라서 윗부분은 밑부분보다 압력이 작아지므로 공이 밑에서 위로 휘게되는 것입니다.


이처럼 축구말고도 공을 차거나 던질 때 회전을 주게 되면 이런 식으로 마그누스 효과가 작용하게 되어 회전을 준 방향으로 휘게 되는 것입니다. 축구에서는 이를 바나나 킥이라고 하는데 공을 찰 때 공 아래쪽 모서리 부분을 위에서 아래로 감싸듯이 차면 공 전체에 회전이 걸립니다. 이 때 공을 강하게 찰수록 강한 회전이 걸리겠지요. 강한 회전을 받은 공은 앞으로 나아가면서 회전하는 방향을 따라 휘어지게 됩니다.


멋진 바나나 킥은 이렇게 완성되는 것이랍니다. 이 슛의 묘미는 공의 방향이 회전됨으로써 골키퍼가 전혀 예상하지 못했던 곳으로 공이 들어가 득점으로 이어질 확률이 매우 높다는 점입니다..

 

2. 작용과 반작용

모든 물체는 힘이 작용하면 반발하는 성질을 가지고 있습니다. 이 성질을 작용과 반작용의 법칙이라고 하는데, 축구에서는 가장 기본적인 축구공을 차는 것에서 작용과 반작용을 찾을 수 있습니다. 축구공을 차게 되면 축구공이 정지된 상태에서 힘을 받고 곧 그 힘을 되돌려서 공이 튀어 나갑니다. 이 힘은 공의 한 부분을 강하게 차면 공이 빠르고 강하게 나가고, 살짝 대듯이 차면 공이 조금 힘없이 굴러가는 대신에 방향을 정확히 잡을 수 있습니다.


또한 골키핑 스킬중 펀칭에서도 작용과 반작용을 볼 수 있습니다. 슛에서 손과 발만 바뀐 것이라고 보는 것이 좋습니다. 주먹으로 강하게 치면 멀리 날아가고, 손바닥으로 살짝 쳐내면 멀리 가지 못하거나, 아예 뒤로 날아가 버리는 경우도 있지만 방향을 상당히 정확히 잡을 수 있습니다. 작용 반작용은 트래핑에서도 볼 수 있습니다. 트래핑을 할 때는 작용과 반작용의 법칙을 역으로 이용합니다. 트래핑은 최대한 자신의 몸에서 공을 떨어트리지 않아야 하기 때문입니다.. 따라서 공이 탄력성이 있으니 자신은 반작용을 최대한 줄여야 합니다. 바로 공이 몸에 닿자마자 몸을 그 공이 가던 방향으로 빼는 것입니다. 그러면 공이 튀는 탄성력과 반작용을 최대한 줄이고 자신에 몸에 공을 붙일 수 있습니다.


3. 원심력과 원운동

발리슛을 할떄에는 넘어지기 쉽습니다. 따라서 균형을 잃지 않고 발리슛을 하려면 원심력에 최대한 끌려가지 않도록 해야 합니다. 그래서 발리슛을 할 때에는 발 반대쪽(상체쪽)으로 몸을 약간 기울입니다. 그러면 발이 돌 때 생기는 원심력을 상체의 원심력으로 균형을 잃는 것을 막아줍니다.


슛을 할 때에는 원운동의 성질을 이용합니다. 원운동의 반지름이 작으면 빠른 움직임 대신 그 파워가 약간 줄어듭니다. 반면 원운동의 반지름이 크면 약간 움직임은 느리나 파워가 강하게 됩니다. 따라서 슛을 약하지만 한 템포 빠르게 해야 한다면 발을 약간만 움직여 방향을 바꾸든가, 툭 차넣든가 하는 것입니다. 그러나 강력한 슈팅이 필요한 경우, 발을 뒤로 많이 빼 원운동의 반지름을 크게 하여 강하게 휘두릅니다. 템포는 느리지만 빠르고 강력한 슈팅이 가능합니다.



 

번개 칠때 차안이 안전한가? 


번개가 칠떄 갑자기 드는 생각은 버스나 지하철에 번개가 맞으면 어떻게 될까 생각을 하게 되었습니다.


우선 번개는 음전하로 대전된 구름 밑바닥이 지구의 지표면을 양전하로 대전시켜, 구름과 지표면 사이에 수백만 볼트의 큰 전압이 형성되어 음전하인 전자가 공기를 뚫고 이동하는 현상입니다. 백만 볼트나 되는 번개를 자동차가 맞았을 때 사람은 위험하지 않을까 라는 생각이 들었습니다. 조사해본결과 안전하다고 합니다.


그 이유는 번개가 쳐서 수많은 전자가 차로 쏟아져 들어오면 도체인 차체 전체에 전자들이 퍼지게 됩니다. 전자들끼리는 서로 같은 (-)전하이므로 서로 밀어내는 척력이 작용합니다. 서로 힘을 받으면서 전자들은 자유롭게 움직일 수 있는데, 이것은 차체가 금속과 같은 도체이기 때문에 가능한 것이지요. 도체란 자유 전자가 많아서 전자들이 자유롭게 움직일 수 있는 구조를 가진 물체를 말합니다.


그러면 자동차에 쏟아진 전자들은 언제까지 움직일까요? 전자들간에 작용하는 척력이 평형을 이룰 때까지 움직이게 되는데, 이렇게 되면 차체 내부 어느 곳이든 전하가 있더라도 전혀 힘을 받지 않는 전기적 힘의 평형인 전기장이 0 인 상태가 되는 것입니다. 우리가 흔히 감전이라고 하는 것은 전압의 차에 의한 전하의 이동, 즉 전류가 흐르기 때문에 신체에 충격을 주게 되는 것입니다.


그런데 차의 내부가 전기장이 0 이 되면 전기적 힘이나 영향을 받지 않는 상태인 정전기 차폐 현상이 일어나게 되어 전류가 흐를 수 없어 차안에 있는 사람은 안전하게 되는 것이지요. 그러면 비행기나 기차도 이와 같은 이유로 몸체가 도체로 구성되어 있기 때문에 안전하다고 볼 수 있습니다.

 

 

밤에 밖에 들리는 경적소리 때문에 잠이안온다.. 소리가 더 크게 들리는건 기분탓인가?


밤에 시끄럽게 하는 소리가 자주 들립니다. 이 떄문에 잠을 제대로 못자고 뒤척인 적이 몇 번 경험해 보았습니다. 아침보다 밤에 소음이 더크게 들린 거같은데 과연 기분탓 일까요?


결론부터 말하자만 기분탓이 아닙니다. 그 이유는 공기의 온도와 밀도 차이 때문입니다. 밤에는 지표면이 빨리 식지만 대기는 서서히 식어서 지표면 근처의 온도가 더 낮습니다. 따라서 지표면 근처의 공기 밀도가 크고 위로 올라갈수록 감소합니다. 자동차에서 나는 소리는 사방으로 퍼지는데 공기 밀도가 다른 경계면에서는 굴절하게 되는데, 소리는 보통 공기 온도가 높고 밀도가 낮은 곳일수록 더 빠른 속도로 전파합니다.


지표면 근처에서 발생한 소음은 사방으로 퍼져 나가다가 지표면 근처로 굴절하여 퍼지게 됩니다. 지표면의 공기 밀도가 크므로 소리의 속도가 작아서 지표면 쪽으로 굴절하기 때문입니다. 이떄문에 우리는 밤에 듣는 소리를 더 크게 들린다고 느끼게 됩니다. 이것은 어떤 파동의 굴절이건 똑같은데, 파동의 속력이 빠른 물질에서 늦은 물질로 굴절하는 것입니다.


반대로 낮에는 소리가 지표면에서 상공으로 굴절하여 퍼지므로 지상에 있는 사람에게는 소리가 잘 전달되지 않습니다.






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