물수제비의 원리 알아보기

물수제비는 둥글고 얄팍한 돌을 강하게 던져서 물 위로 튕기는 놀이를 말합니다. 어떻게 돌이 물 위에서 튕길 수 있을까요? 이번 포스팅에서는 물수제비의 원리를 알아보겠습니다. 물수제비와 관련한 연구는 꽤 오래전부터 시작되었습니다. 먼저 프랑스의 물리학자 리데릭 보케트가 게재한 논문 자료부터 알아보겠습니다.

리데릭 보케트 교수는 돌이 날아가는 속도와 몇 번 회전했는지를 알면 돌이 물 위에서 몇 번을 튕길 수 있는지 계산할 수 있는 방정식을 구했습니다. 이를 근거로 돌이 날아가는 속도와 회전력이 중요하다고 주장했는데 보케트 교수는 이 연구에서 멈추지 않고 크리스토프 클라넷 박사와 물수제비에 관한 공동 연구를 진행했습니다. 그들은 알루미늄 원반을 지름 2m의 연못에 자동으로 발사하는 장치를 만들고 고속 비디오 카메라로 원반이 수면에 부딪히는 순간을 촬영했습니다. 그리고 반복 실험을 통해 둥글고 납작하고 지름이 5cm인 돌이 초속 2.5m 이상의 속도로 수면과 20도의 각도를 유지할 때 물 위에서 가장 잘 튕긴다는 결과를 얻습니다.

추가로 20도보다 작은 각도에서는 돌이 수면과 너무 많이 접촉해서 운동 에너지가 감소해 잘 챙기지 않았고 20도보다 큰 각도에서는 돌이 튕기는 각도가 점점 커지면서 물에 가라앉았습니다. 45도보다 큰 각도에서는 물속에 바로 잠겼다는 결과도 얻었습니다.

그리고 이러한 결과를 바탕으로 2004년 과학저널 네이처에 논문을 게재했습니다. 근데 왜 이런 결과가 나왔을까요. 고체는 분자 간의 결합이 단단하고 액체는 분자 간의 결합이 고체와 비교했을 때 비교적 느슨합니다. 따라서 고체와 액체가 충돌하면 고체가 액체를 파고드는 것이 일반적입니다. 그런데 돌을 비스듬히 던지면 순간적으로 물과 접촉하는 표면적이 넓어지고 충돌 면에 한해서 액체 분자가 고체 분자보다 결합력이 강하게 작용할 수 있습니다. 이에 따라 돌이 물속으로 파고들지 못하고 튕기는 현상을 보입니다.

그리고 돌을 회전시키면 돌의 평평한 면이 안정적으로 수평을 유지할 수 있으므로 계속 튕길 수 있는 겁니다. 이 물수제비 현상은 과학적으로 아주 중요한 의의가 있습니다. 몇 가지 예시를 알아보겠습니다. 우주선이 지구로 진입하고자 할 때 적절한 각도로 진입하지 않으면 밀도 차이로 인해 물수제비 현상이 일어나면서 튕겨나갑니다. 물수제비 현상을 이해해야 이러한 문제를 예방할 수 있습니다.

전쟁에서도 물수제비 원리가 유용하게 쓰였습니다. 실제 1943년 2차 세계대전 당시 영국에서 독일의 군수 공장 전력을 차단하기 위해 수력 발전용 댐을 폭파하고자 할 때 물수제비 현상을 이용했습니다. 높은 곳에서 폭탄을 투하하면 정확도가 떨어지고 저공 비행으로 접근해서 폭파시키기에는 상대방의 공격을 받기 때문에 문제가 있었습니다. 그래서 폭탄을 물수제비 원리를 이용해서 원하는 곳으로 보냈습니다. 길이 1.5m 지름 1.2m의 원기둥 모양을 한 특수 폭탄을 고도 18m에서 댐정면 800m에서 투하합니다. 그냥 투하하는 것이 아니라 전기 모터를 이용해 투하 직전 분당 500회의 속도로 폭탄의 역회전을 줬습니다. 투하 중인 폭탄은 공기 저항 때문에 위쪽과 아래쪽 회전 속도에 차이가 생기고 압력 차이가 양력을 만들어냅니다. 양력은 폭탄을 물 위에서 튕길 수 있게 하는 물수제비 현상을 유도할 수 있었고 폭탄은 물 위에서 4번 튕긴 다음에 댐 앞에서 가라앉은 뒤 수압에 따른 자동 기폭 장치에 의해 폭발했습니다.

이번 포스팅에서는 물수제비 원리에 대해서 알아봤습니다.