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미식축구공, 너는 왜 그 모양이야?

운동경기에서 공은 대부분 둥근 모양이다. 둥근 공은 이동경로를 예측하기 쉽고 손이나 기구에 잘 튕기는 성질이 있다. 하지만 모든 구기운동에서 둥근 공을 사용하는 건 아니다. 미식축구공은 위아래로 긴 ‘장구형’인데, 장구형은 양 끝이 뾰족한 타원형을 의미한다. 그런데 미식축구공이 원래부터 길쭉한 장구형은 아니었다고 한다. 그럼 언제 어떻게 공의 모양이 바뀐 것일까?

원래 미식축구공은 다른 공처럼 둥근 모양이었고, 굉장히 무거워서 멀리 던지기도 어려웠다고 전해진다. 

그러다가 1920년에 미식축구공 모양이 오늘날처럼 바뀌었는데, 왜 하필 장구형이 됐을까? 물리학 원리를 적용한 결과라는 게 전문가들의 설명이다. 

둥근 공에는 아주 큰 항력이 작용해서 멀리까지 날아갈 수 없었다고 한다. 그래서 변화가 필요했는데, 흥미로운 사실은 다른 과학의 발견들처럼 우연히 공모양에 변화가 일어났다는 것이다.

프린스턴 대학교와 러트거스 대학교가 미식축구 경기를 하던 중, 공에서 바람이 계속 빠진 일이 있었다. 

경기를 몇 번이나 중단하고 공에 바람을 다시 불어넣었지만 계속해서 바람이 빠지자 그냥 납작해진 공으로 경기를 해야 했다. 

약간 평평했던 공은 결국 타원형에 가까워졌는데, 신기하게도 그렇게 되자 선수들이 공을 잡기 더 편해져서 던지거나 받기도 더 쉬워진 것이었다. 결국 이 경기를 계기로 미식축구공의 모양이 오늘날의 장구형으로 바뀌었다고 한다.

그래서 공기저항은 줄어들고 물체를 위로 올리는 ‘상승력’이 커졌는데, 이것이 바로 쿼터백이 공을 공중으로 높이 던지는 이유기도 하다. 공 아래에 상승력을 크게 만들어서 공을 공중에 더 오래 띄우는 역할을 하는 것이다.

미식축구공 외에도 둥글지 않은 공은 더 있다. 배드민턴의 ‘셔틀콕’도 라켓에 닿는 부분만 반원모양으로 둥글고 나머지는 깃털로 되어 있다. 이 때 깃털이 공기와의 마찰력을 높여서 셔틀콕이 날아가는 속도를 조절해준다고 한다.

아이스하키에서 쓰는 공 역시 둥글지만은 않은데, 만약 아이스하키 공이 필드하키 공처럼 둥글다면 어떤 일이 벌어질까? 얼음판은 일반 하키를 하는 잔디구장보다 마찰력이 현저하게 작다. 이런 얼음판에서 둥근 공을 친다면 그 속도가 너무 빠르고, 그러면 선수들이 공을 다루기가 굉장히 어려워진다.

그러다보니 아이스하키의 공은 작은 원반 모양으로 만들어졌다. 옆으로는 둥글지만 위아래는 평평한 면으로 되어 있는데, 이 공을 ‘퍽(Puck)’이라고 부른다. 퍽은 둥근 공보다 마찰력이 커서 얼음판 위에서 속도를 조절하기에 쉽다고 한다.

골프공에 움푹움푹 보조개가 패인 까닭은?

골프는 인간이 즐기는 스포츠 중 가장 멀리 공을 날리는 경기다. 드라이버 샷의 경우 300야드 안팎을 날아가는데, 골프공은 어떻게 그렇게 멀리 날아갈 수 있을까?

‘iT 조선’에 게재된 한 분석글에 따르면, 골프공이 뜨는 이유는 물체를 아래로 당기는 중력보다 위로 뜨려는 양력이 더 크기 때문이다. 날아가는 공 위쪽에는 저기압, 아래에는 고기압이 발생한다. 

여기서 골프공이 다른 공들과 구분되는 가장 큰 특징이 나타나는데, 바로 ‘딤플(Dimple)’이다. 

이는 공의 표면에 움푹움푹 패여 있는 것을 일컫는 말로, 한국어로는 ‘보조개’ 정도로 번역되는 이 딤플이 공을 멀리 날아가게 하는 핵심이라고 과학자들은 설명한다.

그런데 오래 전 이 딤플의 모습은 지금과 정반대였다고 한다. 19세 후반에는 산딸기 모양으로, 표면이 오목한 게 아니라 불룩했던 것이다. 그러다 20세기 초에는 줄무늬와 사각형의 그물무늬, 초승달, 삼각형에 이르기까지 그 형태가 다양해졌고, 결국 현재의 움푹 패인 분화구 형태로 통일됐다.

그렇다면 딤플은 구체적으로 어떤 역할을 할까? 비행중인 골프공의 표면을 흐르는 공기는 공의 중간 이후부터 속도가 급격히 줄면서 뒤쪽의 압력이 현저하게 낮아지고, 공의 앞과 뒤의 압력차이로 저항이 발생하는데, 딤플은 이런 저항을 줄이는 일을 한다.

공기가 오목하게 패인 딤플을 지나면서 작은 소용돌이를 일으키고, 이 소용돌이 덕분에 공 뒤쪽의 공기 흐름이 한층 원활해지는 원리다. 

얼핏 딤플은 모두 똑같아 보이지만 사실 그렇지 않다고 한다. 한 개의 공에도 여러 종류의 딤플이 있어서 자세히 살펴보면 지름과 깊이, 크기가 다른 딤플이 일정한 패턴으로 배열돼 있다는 설명이다.

그럼 공 하나에는 몇 개의 딤플이 있을까? 전문가들은 대략 300~450개 정도가 이상적인 딤플의 숫자라고 평가하는데, 공 표면에서 이런 딤플이 차지하는 비율은 75~80%가 일반적이라고 한다.

그냥 보기에는 단순한 공이지만, 골프공의 개발에는 비행의 법칙을 분석하는 물리학자를 비롯해 최적의 소재를 연구하는 화학자, 각종 정보를 바탕으로 시뮬레이션을 하는 컴퓨터 공학자, 공과 잔디와의 상관관계를 연구하는 잔디학자, 실험을 통해 의견을 제공하는 투어 프로 등 다양한 분야의 전문가들이 동원된다고 한다. 

지름 4.3㎝, 무게 45g에 불과한 작은 공이지만 관련특허만 1,500개쯤 된다고 하니 골프공은 작지만 첨단과학이 응축된 집합체인 셈이다.

소피아 씽 (Sophia Tseng)

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