잡을려니 안잡히는 공,“자블라니”

* 이 글에 대한 내용은 6월 11일 SBS 뉴스 '월드컵의 과학'에 소개되었습니다.
http://news.sbs.co.kr/section_news/news_read.jsp?news_id=N1000757421

                                                                                   김영관 (경희대학교 기계공학과 연구교수)

드디어 온 세계가 기대하던 2010년 남아공월드컵이 시작되었다. 월드컵 시작 전에 하나의 화두는
새로운 공인구인 "자블라니(Jabulani)"이다. 공교롭게도 우리말의 "잡을려니"와 발음이 비슷하여 더욱
재미있다. 아디다스에서 철저한 보안 속에 2년여 작업을 거쳐 탄생한 자블라니의 가장 큰 특징은
새롭게 개발된 미세 특수 돌기의 공 표면과 3D 곡선 형태의 가죽 조각 8개를 붙여 제작, 이전 볼 보다
더욱 완벽한 구에 가깝게 만들었다는 점이다. 자블라니의 표면에는 특수 돌기가 전체적으로 배치되어
있어 골키퍼가 잡을 때 미끄러짐 현상을 방지하고 발과 공 사이의 환상적인 그립감을 제공하며, 공기
역학을 이용해 공이 날아가는 괘적의 안정성을 높여 선수들이 어떤 날씨와 환경 속에서도 공을 완벽
하게 컨트롤할 수 있도록 해준다고 제작진은 주장하였다. 하지만, 자블라니를 사용해 본 선수들의
처음 실제 반응은 신랄했다. 이탈리아 대표팀의 골키퍼 지안루이지 부폰은 "처음 사용할 때부터 공이
이상하다는 걸 느꼈다“, 브라질의 골키퍼 줄리우 세자르도는 "공의 궤적이 마음대로 바뀐다. 예측이
불가능하다", 우리나라의 수문장 이운재도 지난 1월 남아공 전지훈련 당시 "낙하지점을 정확히 포착
하기가 어렵다"는 의견을 나타낸 바 있다. 브라질의 공격수 루이스 파비아누는 "특이한 공이다. 볼의
궤적이 갑자기 바뀐다. 원하는 방향으로 가지 않는다"고 말했고, 이탈리아의 공격수 지암파올로
파찌니 역시 "공을 컨트롤하기 매우 어렵다. 헤딩을 하려고 점프를 하면 공이 엉뚱한 곳에 가 있다"며
예측이 어렵다고 지적했다.

왜 그렇까? 왜 특히한 공일까? 필자의 예전 전공지식(항공우주공학)을 살려 쉽게 설명해 보고자 한다.
우선, 자블라니 이전에 특수 돌기를 채택한 공은 2008년의 유로패스 공인구에서 처음 시도되었다.
2008년 이전 공들은 표면이 매끈하였으며 가죽조각이 만나는 부분에서만 연결부에 의해 매끈하지
못했다. 이번 자블라니의 경우 다양한 크기(작은 것, 큰것)와 다양한 방향(원형, 교차형)으로 특수
돌기(bumps)들이 존재하기 때문에 상당히 재미있는 공기역학적 현상을 유발한다. 이와 유사한 특수
돌기는 비행기 날개 표면에서도 가끔 이용이 되었다.

첫째, 결론적으로 작은 돌기는 공기저항을 줄인다. 이는 공기역학적 역설(paradox)로도 알려져 있다.
층류는 공기저항이 적고, 난류는 발생하면 공기저항이 커지기 때문에(형상저항의 영향) 매끄러운
표면이 공기저항을 줄인다고 여겨져 왔지만, 최근에는 오히려 매끄럽지 않고 작은 높이의 돌기가
공기저항을 줄인다는 역설이 설득력을 얻고 있다. 그 이유는 돌기를 지나면서 생기는 작은 와류
(small eddy flow)의 현상 때문이다(그림 참조). 작은 와류가 발생하면 소용돌이 내부의 압력이 낮아
지기 때문에 상대적으로 압력이 높은 윗층 공기가 표면으로 흡착이 더 잘 된다. 반면 매끈한 표면인
경우, 공기의 점성(viscosity) 때문에 공의 표면을 지나면서 상층공기와 하층공기의 상대속도차가
점점 커져 결국 공기가 일찍 표면에서 떨어져 나가 난류를 형성한다. 따라서, 작은 특수 돌기 때문에
공기저항은 더 작고 더 멀리 더 빠르게 공이 날아가게 된다. 이는 야구공의 실밥이 매끈한 공 표면
위에 돌기로 작용하는 원리와 일치한다. 단 일정한 방향이 아니라 여러 방향으로 형성된 자블라니
돌기와 표면의 홈(groove) 때문에 선수들이 애를 먹는다고 볼 수 있다.

둘째, 예측 가능한 공의 안정성은 공의 회전수와 관계된다. 이는 요즘 한창 뜨고 있는 무회전킥과도
매우 관련이 있다. 호나우도의 무회전 킥이 위력적인 것은 속도가 빠른 것도 원인이지만, 낙구지점
예측이 잘 되지 않는다는 것이다. 공중에 날아가는 물체 괘적의 안정성(stability)를 높이기 위해 강제
회전을 시킨다. 그래서, 총알이 총구에서부터 회전을 하면서 날아가는 것이고, 육상에서의 투창, 미식
축구공의 던지기 등에서 강한 스파이럴 회전을 주어 공기저항에 의해 쉽게 괘적이 바뀌지 않고 예측
가능하도록 한다. 하지만, 최근의 무회전킥은 역설적으로 회전수를 최대한 줄이는 것이다. 이에 따라,
공 괘적의 불안정성이 매우 증가하여 춤을 추듯 예측한 방향에서 벗어나는 것이다. 과학적으로
증명은 하지 못했지만, 필자의 생각으로는 분명 자블라니는 기존 공의 회전수보다 같은 조건에서
적게 회전할 가능성이 있다고 본다.

남아공의 공용어 중 하나인 줄루어로 '축하하다'(celebrate)는 뜻을 담고 있는 자블라니가 과연 이번
월드컵에서 어느 나라에게 축하해 줄지 무척 궁금하다. 이왕이면 대한민국의 축구팀을 축하해서
16강 이상의 성적을 안겨주길 바란다.

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