물 수제비의 원리는 무엇인가요?
물 쌔게 던지면 수제비가 통통 튀어오르는데
이 원리는 무슨 원리인가요?????????????
어릴때 부터 시골에서 자라서 강가에 물수제비를 하곤
했는데 그때 시절이 생각나서 올려봅니다.
- 물 수제비의 원리는 무엇인가요?
2차대전때,,,
2차 세계대전이 한창이던 1943년 5월 16일 밤. 독일의 루르 계곡에 위치한 수력발전용 댐 을 향해 영국 공군의 랭커스터
폭격기가 서서히 접근했다. 18m로 저공비행하던 폭격기는 댐 정면 800m 지점에서 특수하게 고안된 맥주통 모양의 폭탄을
투하했다.
호수에 떨어진 폭탄은 수면을 4번 튕기며 전진하다 댐 벽에 부딪치며 물속으로 가라앉았다.
얼마 후 지축을 흔드는 굉음을 울리며 터진 폭탄은 댐에 폭 91m, 높이 30m의 구멍을 뚫었다.
한동안 독일군은 군수공장을 운용하기 위한 전력 생산에 큰 차질을 빚었다.
당시 영국 공군은 폭탄에 회전을 걸어 수면에 던지는 투하법인 ‘스킵 보밍’(skip bombing)을 사용했다.
수면에 일정한 각도로 돌을 던지면 통통 튕기는 물수제비 원리를 응용한 것이다.
고공비행을 하면 댐에 정확히 폭탄을 투하할 수가 없고, 저공비행을 하면 폭격기가 대공 사격에 노출될 것을 우려한 묘안이었다.
이 같이 1940년대부터 주목받기 시작한 물수제비에 대한 연구는 상당히 진척돼 있다.
프랑스 비평형현상연구소의 크리스토프 클라네 박사는 2004년 1월 1일 과학저널 ‘네이처’에 “둥글고 납작한 지름 5cm의 돌을
수면과 20도 각도를 유지하며 초속 2.5m 이상으로 던져야 물에 빠지지 않는다”고 설명했다.
돌을 강하게 회전시켜야 평평한 면이 안정적으로 수평을 유지해 물속으로 쉽게 가라앉지 않는다는 결과도 내놨다.
클라네 박사의 실험에 따르면 20도보다 낮은 각도로 던진 돌은 수면에서 튕기기는 하지만 그 다음엔 수면과 지나치게
맞붙기 때문에 운동 에너지가 사라지고 만다. 반대로 20보다 크면 수면에서 튕기는 각도가 점점 커져 몇 번 튕기지 못하고
물속에 빠진다. 진입각도가 45도보다 크면 곧바로 물속으로 빠진다.
이에 앞서 2002년 프랑스 리옹대 리데릭 보케 교수도 물수제비에 관한 수학적 연구결과를 발표한 적이 있다.과학저널 ‘아메리칸 저널 오브 피직스’에서 그가 밝힌 바에 따르면 물수제비 회수는 돌의 속도가 빠를수록 증가한다.
각도도 중요하지만 돌을 얼마나 세게 던지느냐가 물수제비 횟수를 결정짓는다는 얘기다. 그가 밝힌 최소 속도는 시속 1km였다.
클라네 박사와 보케 교수의 연구를 종합하면 각도는 20도, 속도는 빠르면 빠를수록 물수제비가 잘 일어난다는 말이 된다.
흥미로운 점은 물수제비 연구가 우주과학자들의 지대한 관심을 끌었다는 것이다. 우주선이 지구로 돌아올 때 지상으로 제대로
진입할 수 있는 각도와 속도를 정확히 계산해야 하기 때문이다. 만약 대기권과의 각도가 지나치게 작으면
우주 공간으로 튕겨 나가 영영 미아가 된다.
미국 항공우주국(NASA)을 비롯한 우주개발기관들은 물수제비 연구결과를 통해 가장 적절한 대기권 진입 각도를
유추해 내는데 도움을 받고 있다.
물수제비는 차세대 항공기에도 과학적인 힌트를 주고 있다. 현재 미국 로렌스 리버모어 연구소는 물수제비 원리를 이용한
초고속 항공기를 구상하고 있다. 이 비행기는 이륙한 뒤 고도 40km의 성층권까지 올라갔다가 엔진을 끈다.
서서히 하강하던 비행기는 밀도가 높은 대류권을 만나면 튀어 오른다.
연구소는 18번 튕기면 미국 시카고에서 이탈리아 로마까지 단 72분에 갈 수 있을 것으로 예측하고 있다.
물수제비 원리를 이용해 눈 깜짝할 사이 대륙 사이를 이동하는 것이다.
물수제비가 지니고 있는 수많은 과학적인 원리에도 불구하고 물수제비뜨기는 역시 재미있는 ‘놀이’다.
고대 그리스부터 시작된 물수제비뜨기 경기는 현재까지도 세계 각국에서 열리고 있다.
기네스북에 따르면 세계기록은 1992년 미국 텍사스주에 사는 저던 콜맨 맥기라는 엔지니어가 세웠다.
그는 미국 블랑코 강에서 무려 38번이나 물수제비를 떴다.
그가 가진 기록은 15년이나 깨지지 않고 있다. 과학자들은 맥기가 세운 물수제비뜨기가 가능하기 위한 조건을 계산해 봤다.
지름 10cm의 납작한 돌로 맥기와 같은 기록을 내려면 돌을 초당 14회 회전시키면서 시속 40km로 던져야 한다.
엄청난 연습이 동반됐음을 짐작할 수 있는 대목이다. "끝"
과학향기 출처 : KISTI의 과학향기
물은 서로 뭉치려는 응집력을 가지고 있는데 다른말로 '표면장력'이라고 합니다.
돌을 던질때 돌이 물에 침투하려는 힘보다 물의 표면장력이 커서 돌이 튕겨져 나오게 되는데 이것을 물수제비라고 합니다.(여러힘도 들어가지만 간단하게 생략)
보통 돌의 침투하려는 힘을 줄이고, 물과의 접촉면을 늘리기 위해 납작하고 가벼운 돌을 쓰곤 하죠.
https://youtu.be/KOknZsRgC8U
영상 참고 바랍니다
글자수를 채워야 하는데 요약해서 알려드릴게요!
돌이 물과 만났을때
순간적으로 물의 결합력이 높아져서
돌이 물에 파고들지 못하고 팅겨진다고 하네요
이번거는 정말 무슨말인지 하나도 모르겠어요ㅠㅠ
사소한거 궁금한게 있을때 사물궁이 채널 좋습니다
(그냥 구독자로서 추천드린거에요ㅎㅎ)
공이땅바닥에서튀다가멎듯이나도냇물이나저수지에서물을향해비스듬히돌던지기를많이해보았는데그것을물수제비라고부른다는것을이번에처음알았습니다. 그원리를너무복잡하게생각할필요는없을것입니다. 마치공이반듯한시멘트판에비스듬히던져졌을때몇차례튀다가멎는것과마찬가지입니다.
다만질문의촛점은돌을물위에거의수직으로던지면튀어오르지않는데비스듬히던지면(물론돌이충분히빠른속도를가졌을때) 튀어오른다는사실입니다. 이점이단단한콘크리트바닥에서공이튀는것과크게다른점입니다. 콘크리트바닥에서는수직으로던져진공이더잘튑니다. 콘크리트바닥은고체이므로외부충격에대해전체가한덩어리로대응합니다. 물론자세히보면약간의찌그러짐이있지만, 대략말하여덩치가크고따라서질량이큰물체와충돌하는공은보통우리가물리에서배우는충돌법칙에따라뒤로튀는것입니다. 콘크리트도약간밀리지만그정도가아주작습니다. (무거운것일수록뒤로밀리는속력이작습니다.)
그러나물은액체이므로충돌에대해전체가한덩어리로행동하지않습니다. 말하자면공과충돌하는부분가까이의일부만이직접충돌에관여합니다. (물론시간이지나면그여파가파동으로서다른부분에도미치지만) 따라서이충돌에참여하는부분의질량이어느정도냐에따라서공이얼마나무거운물체와충돌한것처럼행동하느냐가결정됩니다. 아주이상적인경우즉공과물사이에점성저항이없고, 공의밀도가물의밀도보다작고, 공의속력이충분히빠르면, 공이물에수직으로던져졌을때마치단단한콘크리트바닥에서튀기듯공이튀어나갑니다.
그런데돌은물보다밀도가커서(대략말하여충돌에참여하는부분의물이가지는질량보다공의질량이커서) 공과물이정면으로부딪힐때물이공을되돌려보내지못하고공의속력만줄인채물이뒤로밀리는현상이일어납니다. (물리시간에물체의충돌에대해조금배워야합니다.) 즉이경우돌은위로튀어오르지않고물속으로들어갑니다. 하지만납작한돌의경우문제가달라집니다. 돌이물에부딪힐때물에닿는넓이가크면충돌에참여하는물의양이많아져서돌이무거운물체와충돌하는효과가생길것입니다. 따라서돌의질량보다큰질량에해당하는물이충돌에참여하면돌이뒤로튈수있습니다.
납작한돌이물에대해비스듬히매우빠르게던져졌을때, 돌속도의수평성분과수직성분중에서수직성분에관한것이이런상황에해당합니다. 따라서돌은수직으로도로튀어오를수있습니다. 물론탄성충돌은아니니까몇차례튄다음속력이많이느려지면중력을이기지못하고돌이물속으로들어갑니다. 납작한돌을물에대해수직아래방향으로던져서넓은면이물에평행하게닿도록만들기는어렵습니다. 사람이손으로납작한돌을던지되충분히빠른속도로그렇게하기도어렵거니와설사그렇게되어한번튀어오르더라도그다음다시물에부딪힐때돌의자세가달라져서이번에도넓은부분이물에평행으로부딪힐가능성은거의없습니다.
그러나당신이물에아주비스듬히빠른속도로납작한돌을던지면그런일이일어날수있습니다. 돌의앞머리가물에부딪히며비스듬히물을밀므로써그앞에물마루가생깁니다. 결과적으로충돌에참여하는물의양이많아져서무거운물체와충돌하듯돌은충분한수직반발력을얻어서도로위로튑니다. 다시떨어진돌이물에닿을때설사돌의뒷부분이먼저닿더라도그뒷부분이밑에서위로올려주는충격을받아서돌의자세를다시바로잡아주는효과가생깁니다. 즉몇번튀더라도아직속력이충분하다면돌은안정하게넓은면이물에거의평행하게닿는효과를얻는다는것입니다. 즉자세안정성이중요한역할을하는것입니다. 물론돌이물속에가라앉는것은돌의속력이점차줄어들기때문입니다.
공이땅바닥에서튀다가멎듯이나도냇물이나저수지에서물을향해비스듬히돌던지기를많이해보았는데그것을물수제비라고부른다는것을이번에처음알았습니다. 그원리를너무복잡하게생각할필요는없을것입니다. 마치공이반듯한시멘트판에비스듬히던져졌을때몇차례튀다가멎는것과마찬가지입니다.
다만질문의촛점은돌을물위에거의수직으로던지면튀어오르지않는데비스듬히던지면(물론돌이충분히빠른속도를가졌을때) 튀어오른다는사실입니다. 이점이단단한콘크리트바닥에서공이튀는것과크게다른점입니다. 콘크리트바닥에서는수직으로던져진공이더잘튑니다. 콘크리트바닥은고체이므로외부충격에대해전체가한덩어리로대응합니다. 물론자세히보면약간의찌그러짐이있지만, 대략말하여덩치가크고따라서질량이큰물체와충돌하는공은보통우리가물리에서배우는충돌법칙에따라뒤로튀는것입니다. 콘크리트도약간밀리지만그정도가아주작습니다. (무거운것일수록뒤로밀리는속력이작습니다.)
그러나물은액체이므로충돌에대해전체가한덩어리로행동하지않습니다. 말하자면공과충돌하는부분가까이의일부만이직접충돌에관여합니다. (물론시간이지나면그여파가파동으로서다른부분에도미치지만) 따라서이충돌에참여하는부분의질량이어느정도냐에따라서공이얼마나무거운물체와충돌한것처럼행동하느냐가결정됩니다. 아주이상적인경우즉공과물사이에점성저항이없고, 공의밀도가물의밀도보다작고, 공의속력이충분히빠르면, 공이물에수직으로던져졌을때마치단단한콘크리트바닥에서튀기듯공이튀어나갑니다.
그런데돌은물보다밀도가커서(대략말하여충돌에참여하는부분의물이가지는질량보다공의질량이커서) 공과물이정면으로부딪힐때물이공을되돌려보내지못하고공의속력만줄인채물이뒤로밀리는현상이일어납니다. (물리시간에물체의충돌에대해조금배워야합니다.) 즉이경우돌은위로튀어오르지않고물속으로들어갑니다. 하지만납작한돌의경우문제가달라집니다. 돌이물에부딪힐때물에닿는넓이가크면충돌에참여하는물의양이많아져서돌이무거운물체와충돌하는효과가생길것입니다. 따라서돌의질량보다큰질량에해당하는물이충돌에참여하면돌이뒤로튈수있습니다.
납작한돌이물에대해비스듬히매우빠르게던져졌을때, 돌속도의수평성분과수직성분중에서수직성분에관한것이이런상황에해당합니다. 따라서돌은수직으로도로튀어오를수있습니다. 물론탄성충돌은아니니까몇차례튄다음속력이많이느려지면중력을이기지못하고돌이물속으로들어갑니다. 납작한돌을물에대해수직아래방향으로던져서넓은면이물에평행하게닿도록만들기는어렵습니다. 사람이손으로납작한돌을던지되충분히빠른속도로그렇게하기도어렵거니와설사그렇게되어한번튀어오르더라도그다음다시물에부딪힐때돌의자세가달라져서이번에도넓은부분이물에평행으로부딪힐가능성은거의없습니다.
그러나당신이물에아주비스듬히빠른속도로납작한돌을던지면그런일이일어날수있습니다. 돌의앞머리가물에부딪히며비스듬히물을밀므로써그앞에물마루가생깁니다. 결과적으로충돌에참여하는물의양이많아져서무거운물체와충돌하듯돌은충분한수직반발력을얻어서도로위로튑니다. 다시떨어진돌이물에닿을때설사돌의뒷부분이먼저닿더라도그뒷부분이밑에서위로올려주는충격을받아서돌의자세를다시바로잡아주는효과가생깁니다.
즉몇번튀더라도아직속력이충분하다면돌은안정하게넓은면이물에거의평행하게닿는효과를얻는다는것입니다. 즉자세안정성이중요한역할을하는것입니다.
물론돌이물속에가라앉는것은돌의속력이점차줄어들기때문입니다. 출처-
