마그누스 효과 Magnus effect

마그누스 효과 Magnus effect

축구선수가 프리킥으로 찬 공은 초기에는 30 m/s로 직진상태로 날아간다. 

이때는 마찰력이 상대적으로 작은 구간인 난류(turbulence) 상태이다. 

난류상태에서는 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비인 레이놀즈수가 크다. (레이놀즈 수 설명보기)

공 주의 공기 흐름은 난류 상태가 되고, 공 표면의 공기는 오랫동안 달라 붙게 되어 

공의 전후 압력차는 작아지고, 항력(drag force)도 작아져 

선수가 찬 공은 수비벽까지 난류 상태로 빠르게 날아간다.  

그 후 약 10m 지점(수비벽 거리는 9.15 m)부터 점점 속도가 느려지면서 층류(laminar) 상태로 들어서게 된다. 

이때 공의 뒤쪽으로 흐르는 공기가 떨어져 나가는 박리(separation)현상이 일어나게 되면서,

공의 전후 압력차가 커지고, 항력도 커지게 된다. 

이 때 마그누스 효과가 생기면서 공의 궤적이 휘어지게 된다. 

그럼,

마그누스 효과 (Magnus effect) 라는 것은 무엇인가

이 현상은 자전하면서 날아가는 포탄이 수직면에서 벗어나는 현상을 설명하기 위해 

1852년 독일의 H. G. 마그누스가 처음 실험했다.

유체 속에서 회전하는 물체가 회전에 의해 흐름이 가속되는 쪽에서 유속과 회전축에 모두 수직인 힘의 작용을 받는 현상. 

즉, 회전하는 원주 모양의 물체에 흐름이 직각으로 부딪치면, 그 물체는 흐름에 직각방향인 힘을 받는다.^[각주:1]

이론적으로는 쿠타-주코프스키의 정리(Kutta-Zhukovskii theorem)로 설명할 수 있다.

원주 모양뿐만 아니라 구와 같은 3차원적인 물체가 회전하는 경우에도 마그누스 효과가 성립된다.

즉 구 모양의 물체는 흐름과 회전축 모두에 직각 방향의 힘의 작용을 받는다.

위에 그림들과 같이 

시계방향으로 회전을 하면서 좌측으로 진행하고 있는 공을 살펴보면

공의 상단부는 유체흐름과 동일한 방향이기 유체의 속도가 빨라진다. 대신 압력이 낮아지게 된다.

공의 하단부는 유체흐름과 반대 방향이라 유속이 느리지만 압력이 높아진다.

속도와 압력에 대한 관계를 알려면

베르누이 정리(Bernoulli's theory)를 이해하고 있어야 한다.

마그누스의 효과에 대한

동영상을 보면 이해가 빠를 것 같다. 

마그누스 효과의 적용

야구 커브볼이나 축구의 바나나 킥에 적용될 뿐만 아니라,

마그누스 효과를 이용해 비행기를 만들기도 하고

선박의 안정성을 높여주는 장비로도 이용하기도 한다.

마그누스 효과를 이용한 배도 있다.

이러한 배를 The Flettner rotor-powered ship 혹은 rotor ship 이라고 부른다.

The Flettner rotor-powered ship 더 보기

2013. 10. 19 작성

2014. 04. 13 The Flettner rotor-powered ship 추가 

1. http://www.scienceall.com/dictionary/dictionary.sca?todo=scienceTermsView&classid=&articleid=250134&bbsid=619&popissue= [본문으로]