[과학을읽다]무회전킥과 바나나킥, 그리고 소용돌이

무회전킥의 대명사 크리스티아누 호날두 선수가 무회전킥을 시도하는 모습. [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]'박항서 효과' 때문일까요? 유럽 프로리그의 축구경기가 아니어도 축구보는 재미가 있습니다. 축구의 재미를 더해주는 요소 중 하나가 '무회전킥'과 '바나나킥' 입니다.

무회전킥은 야구의 너클볼처럼 공의 무늬가 뚜렷하게 회전없이 날아가다가 갑자기 휘거나 뚝 떨어집니다. 경기 후 하이라이트를 보면 선수가 킥을 하고나면 대부분의 골키퍼는 처음엔 축구공 방향으로 몸을 움직이려다 이내 멈추고 멍하니 축구공을 바라보고 있습니다. 축구공의 진행방향이 예측했던 방향과 다르거나 골대를 벗어나리라 생각했지만 결과는 골문의 그물을 흔들었기 때문입니다.

선수가 공이 최대한 회전하지 않도록 강하게 차면 공과 마주치는 공기는 위아래로 갈라지면서 뒤쪽으로 흘러 소용돌이인 난류가 생깁니다. 이 때 소용돌이의 크기가 다르면 기압의 차이도 달라지면서 진행방향에도 변화가 생기는 것입니다.

소용돌이가 생기면 소용돌이가 있는 곳의 기압이 다른 곳보다 낮아집니다. 기압이 낮아지면 양력도 줄어 공이 뚝 떨어지거나, 소용돌이의 영향으로 나아가려는 힘이 줄어 사람의 눈에는 공이 흔들리는 것처럼 보이기도 하는 것입니다.

달리 표현하면, 소용돌이가 앞으로 나아가려는 축구공을 뒤로 잡아 당기는 셈입니다. 마치 골프선수들이나 당구선수들이 백스핀을 거는 것과 유사한 효과를 내는 것이지요. 다만, 이 소용돌이는 백스핀과 달리 불규칙한데다 언제 어떻게 발생하는지 예측하기도 어렵기 때문에 진행방향을 예측할 수 없습니다. 이 소용돌이를 '카르만 소용돌이(Karman's vortex)'라고 합니다.

미국 항공우주국(NASA)에 근무하면서 미국의 항공기술 발전과 장거리 로켓 계획에 크게 기여했던 헝가리계 미국 물리학자로, 지구와 우주의 경계선인 '카르만라인(Karman Line)'을 만들었던 그 시어도어 폰 카르만입니다.

잠수함이나 배, 항공기의 운동방향 뒤쪽에 발생하는 카르만 소용돌이는 이들의 전진을 크게 방해하는 요소가 됩니다. 같은 연료로 좀 더 먼 거리를 이동하기 위해 배나 잠수함이 어류의 겉모습을 흉내내고, 항공기를 조류의 형태로 디자인하는 것도 이 때문입니다. 어류나 조류의 유체역학적인 형태는 운동방향의 뒤쪽에 카르만 소용돌이나 난류가 거의 형성되지 않기 때문입니다.

항공기가 하늘을 날 수 있는 것은 축구의 '바나나킥'과 같은 원리입니다. 선수가 축구공을 어느 한 방향으로 회전하도록 차면 강한 회전력을 받은 공은 앞으로 나아가면서 회전 방향을 따라 휘어지는데 이를 바나나킥이라고 합니다.

항공기의 날개는 위는 볼록하고 아래는 평평합니다. 기압이 높은 아래가 날개를 위로 띄우는 원리입니다. [사진=유튜브 화면캡처]

축구공이 시계방향으로 회전한다고 할 때 공기의 흐름과 같은 방향인 공의 오른쪽은 저항이 적고, 공기의 흐름도 빠르며 압력도 낮습니다. 그러나 공기의 흐름과 공의 회전방향이 반대인 공의 왼쪽은 공기의 저항을 많이 받아 압력이 높고 공기의 흐름도 오른쪽보다 느립니다.

이런 상황에서는 공기의 밀도(압력)가 낮은 오른쪽으로 공이 휘게 됩니다. 이처럼 공기의 압력이 낮은쪽으로 힘이 작용하는 현상을 '마그누스 효과'라고 합니다. 이 마그누스 효과로 무거운 항공기가 중력을 극복하고 하늘을 날 수 있는 양력이 만들어집니다.

항공기의 날개는 윗부분은 볼록하고, 아랫부분은 평평합니다. 날개의 윗부분을 지나는 공기는 아랫부분을 지나는 공기보다 긴거리를 이동하는 만큼 공기의 이동속도는 더 빠르지만 압력은 약합니다. 베르누이의 정리에 따르면, 공기가 빨리 흐르는 쪽이 느리게 흐르는 쪽보다 상대적으로 압력이 낮아집니다. 따라서 항공기 날개 아래는 위보다 압력이 강해 항공기는 위로 뜨게 되는 것입니다.

축구공은 가볍지만 항공기는 무겁습니다. 양력을 얻기 위해서는 속도가 필요한 것이지요. 가벼운 축구공이 추진력을 얻는 것은 축구선수의 발힘이지만 항공기는 엔진의 힘으로 추진력을 얻는 것이 차이점입니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr