[배 이야기] 배도 ‘저항’이 싫어요

파도·공기, 배의 항해를 가로막는 힘
최적 설계·특수 페인트 등으로 최저화

조파저항을 줄이기 위해 수면 아래 선수 하단면을 둥근 모앙으로 제작한 ‘구상선수’(사진=김범준 STX조선해양 홍보실 주임)

[아시아경제 채명석 기자] 자전거나 자동차를 타고 달릴 때, 항공기를 타고 하늘을 날을 때에는 공기의 저항을 받게 된다.

공기의 저항을 어떻게 이용하느냐에 따라 자동차는 고속으로 달릴수록 지면에 가라앉아 전복 사고를 예방할 수 있으며, 항공기는 적은 연료로 비행을 할 수 있다. 하지만 원칙적으로 저항은 기계의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다.

선박도 마찬가지다. 공기보다 더 저항력이 강한 물 위를 떠다니는 선박은 당연히 다양한 저항을 받게 마련이다.

배가 달릴 때 발생하는 저항에는 ▲선수로부터 파도를 일으키는 ‘조파저항(wave making resistance)’ ▲선미의 방향타와 프로펠러(또는 스크류) 등에서 일어나는 소용돌이 저항인 ‘와류저항(eddy making resistance)’ ▲선체표면과 흐르는 물 사이 마찰에 의한 ‘마찰저항’ 또는 ‘점성저항(frictional resistance)’ ▲수면상부의 선체부위와 공기의 마찰로 인한 ‘공기저항(aerodynamic resistance)’ 등이 있다.

이중 저속선박에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 조파저항으로서, 선박 설계시 조파저항이 적은 선체를 설계하는 것은 매우 중요하다.

선박이 파도가 없는 잔잔한 물에서 전진을 하면 파(Wave)가 발생한다. 전진하는 선박이 다른 물질을 움직이게 했다는 것은 에너지를 소모했다는 것을 뜻하고, 이는 곧 저항이 발생했다는 것을 의미하는데, 이 저항이 바로 조파저항이다. 말 그대로 파도를 생성시켜 발생하는 저항인 것이다.

바닥이 넓은 바가지와 표면적이 거의 없을 정도로 매우 날카로운 칼로 물을 내리쳤을 때, 당연히 바가지를 물에 잡기도록 하는 것이 더 많은 물결이 생기고 힘도 더 많이 든다. 이렇게 가하는 힘을 막는 힘을 조파저항이라고 이해하면 된다.

조파저항은 두 가지로 구분되는데, 선박의 선수부에서 물을 가르면서 발생하는 파를 ‘발산파(divergent wave)’라 하고 이를 뒤따르면 발산파와 수직되게 발생하는 파를 ‘가로파(또는 횡파, Transverse wave)’가 그것이다. 선미파는 선수파에 비해 작기 때문에 선미의 조파저항은 매우 작다.

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조파저항은 저속에서는 작지만 고속이 되면 커져서 전체 저항의 50% 이상을 차지한다. 속도의 증가에 따라 일률적으로 증가하는 것이 아니라 파정 및 파저의 기복에 따라 다르다. 따라서 조파저항은 선형과 속도에 따라 차이가 크므로 계산으로 구하기가 불가능하며 일반적으로 수조시험을 통한 실험치를 이용한다. 저항을 구하려는 선박의 축소모형을 만들어 대응속도로 끌어당겼을 때 끌어당기는 힘을 측정하면 모형선의 저항을 구할 수 있다.

최근에 신조되는 거의 모든 선박들은 조파저항을 감소시키기 위해 선수부분을 ‘구상선수(Bulbous bow)’ 형태를 많이 채용한다. 구상선수는 수면 아래 선수 하단부가 둥근 공처럼 부풀어 오른 형태로, 고속의 대형 선박에 사용되면 조파저항을 줄이는 효과가 있으며 속도가 비교적 빠르지 않고 폭이 넓은 거대 유조선 형태의 선박에 적용되면 선수 부근의 형상저항을 줄이는 효과가 있다. 하지만 저속에서는 구에 의한 마찰저항과 형상저항이 증가되기도 한다. 선수 선저부에 파랑에 의한 충격이 크므로 이에 견딜 수 있는 견고한 구조로 만들어야 한다.

또한 선체를 따라 흐르는 발산파를 잡기 위해 선수미선에 대해 19.5˚의 각을 이룬 형태를 취한다.

수중에서 선체가 진행할 때에는 선체와 물 분자와의 부착력에 의해 선체에 접근해 있는 물 분자와 떨어져 있는 물분자간에는 속도의 차이가 생기고 선미에 이르게 되면 멀리 떨어져 있는 물분자가 와동을 하게 된다. 이 저항을 ‘와류저항’이라고 한다.

와류저항은 물체의 형상에 따라 변화하며 같은 물체일지라도 흐름에 대한 자세에 따라 바뀌므로 ‘형상저항’이라고도 부른다. 와류저항을 감소시키려면 부유체의 전면을 가능하면 유선과 적은 각을 이루도록 하고 배면은 유선이 떨어져 나가지 못하도록 형상을 좁혀 나가야 한다. 즉, 4각형 보다는 구형을, 구형보다는 타원형, 타원형보다는 유선형으로 하면 와류저항은 현저히 감소된다.

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‘마찰저항’은 선체가 수중을 진행할 때 선체와 물이 접해 있는 모든 면에 물의 부착력이 작용해 선박의 진행을 방해하는 힘을 말한다. 항해하는 선박 근처의 물을 살펴보면 선체 표면과 접하고 있는 물은 선박과 함께 움직이며, 그보다 조금 떨어져 있는 곳의 물은 선체 표면 근처의 물보다는 움직임이 작다. 또한 선박과 아주 떨어진 곳의 물은 선박의 움직임과는 상관없이 전혀 움직이지 않는다.

이러한 현상은 물이 가지고 있는 점성에 기인한 것으로, 선박의 움직임과 함께하는 물과 전혀 움직이지 않는 물의 경계를 경계층이라고 부른다. 경계층 내의 물은 선박의 움직임에 따라 운동하며, 그 운동 에너지는 물체의 움직임에 따라 발생하는 마찰력과 동일한 개념이기 때문에 이러한 선박저항 요소를 마찰저항이라 한다. 마찰저항은 저속선의 경우 전체저항의 70~80% 정도에 이르며, 고속선에서도 40~50%를 차지할 정도다.

따라서 마찰저항을 감소시키기 위해 물과 접촉하는 면적을 줄이고, 선체의 청결을 유지해줘야 하며, 최근에는 저항을 줄여주는 특수 페인트를 많이 사용한다.

항행 중 선박의 수면 윗부분은 공기의 저항을 받는다. 공기저항은 수면상의 선체가 공기의 흐름에 의하여 받는 저항을 말한다. 공기의 밀도는 물의 밀도의 800분의 1 정도 이므로 공기저항은 수 저항에 비해 대단히 작고 무풍상태에서는 수저항의 1~3%에 지나지 않는다. 공기저항의 크기는 선박에 대한 상대풍속과 상대풍향에 따라 크게 변한다.

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공기저항의 감소를 위해 선박 엔지니어는 수면 상부 구조물을 직각형태에서 원형으로 하고, 또 구조물 중간에 빈 공간을 만들어 공기의 저항을 줄이고 있다.
<자료: 현대중공업·삼성중공업·대우조선해양·성동조선해양·한진중공업·한국해양대학교>

채명석 기자 oricms@