선풍기 단 돛단배, 움직일까?

'선풍기 단 돛단배' 혹은 위 그림으로 유명한 과학 퀴즈이다.

과연 선풍기 단 돛단배는 어디로 움직일까?

 

사실 답은 없다.

돛이 어떤 형태로 바람을 수용하는지에 따라 결과가 달라지기 때문이다.

 

위 그림의 1처럼 바람을 흘리면 배는 선풍기의 추진을 받아 우측으로 이동한다.

2처럼 바람을 수직 분산하면 선풍기의 추진과 돛이 받은 운동량이 상쇄돼 움직이지 않는다.

3처럼 바람을 역방향으로 튕기면 선풍기의 추진보다 돛이 받은 운동량이 더 커져 좌측으로 이동한다.

 

기본적으로 운동량 혹은 충격량에 대한 이해를 다루는 문제이다.

작용 반작용으로 이해를 해도 무리는 없다.

단 에너지 보존과는 무관한 내용이다.

 

더 정확히는 2의 경우 선풍기의 우측의 기압이 낮아져 미세하게 우측으로 이동한다.

해당 요인을 없애려면 선풍기 부근에 수직 가림막을 설치하여 기압경도력에 따른 영향을 상쇄해야 한다.

 

하여튼 인터넷에 이를 실험으로 검증한다며 영상을 찍고 각기 다른 결과로 혼동을 주는 경우가 종종 보인다.

하지만 이는 위의 내용처럼 돛의 형태나 기능적 차이에 따라 결과가 달라지기에 큰 의미가 없다.

특정 방향의 이동을 주장하는 그 누구도 옳지 않고 그 누구도 올바른 실험을 한 것은 아닌 셈이다.

 

한편으론, 자칫 돛단배의 경우 하나만 생각하여 이를 비효율적인 운동 모델로 단정 지을 수도 있을 것 같다.

하지만 실질 바람의 배출 방향을 정밀하게 조절한다면 비효율적인 방식은 아니다.

그리고 실제 이를 적용한 모델도 있음을 안다면 흥미가 더해질 것도 같다.

 

수직 이착륙 전투기로 유명한 해리어기가 해당 원리를 적용한 모델이기 때문이다.

팬이 앞의 공기를 뒤로 보내면 앞으로만 갈 것 같지만, 해리어기는 수직 이착륙 즉 수직 운동이 가능하다.

엔진이 후방으로 보낸 공기의 최종 배출 방향을 바꾼 것만으로도 운동 방향이 달라짐을 이용한 것이다.

 

한편 이는 헬리콥터가 프로펠러 즉 팬의 방향대로 운동을 하는 것과 다른 모습이기도 하다.

 

한편 이를 헬리콥터의 효율성에 대한 생각으로 확장할 수도 있다.

공기의 배출 방향, 즉 헬리콥터 프로펠러의 하단에는 가장 많은 부피를 차지하는 몸체가 달려있기 때문이다.

물론 중심이라 영향이 적기는 하지만 위 돛단배의 경우처럼 효율적 형태라 볼 수는 없는 것이다.

 

한편 이는 몸체 전면에 프로펠러가 달린 경비행기의 경우도 마찬가지라 볼 수 있을 것이다.

 

결국 공기의 배출 및 그 방향을 얼마나 효율적으로 관리할 수 있는지가

 운동의 효율성에 중요한 영향을 미친다 볼 수 있을 것이다. 하여튼.

 

위 선풍기 단 돛단배의 경우에서도 선풍기나 팬의 방향이 중요한 게 아니라,

이것이 최종적으로 배출하는 바람의 방향에 따라 배의 운동이 달라짐을 유념할 필요가 있다.