≪한 달 앞으로 다가온 월드컵. 공 하나를 두고 22명의 선수가 뛰어다니는 아주 단순한 모습에 세계가 울고 웃는다. 그러나 축구경기 속에도 심오한 원리가 숨어있다.현재와 같은 축구공의 제작 원리에는 물질의 가장 안정된 구조를 찾는 화학의 세계가 있었고, 축구공의 움직임 속에도 물리학의 원리가 숨어있었다.
한국표준과학연구원 이인호 박사는 “축구는 비과학적인 통제 불능의 스포츠가 아니고 물리와 화학의 이론과 실험이 그대로 적용되는 신비한 과학의 세계”라고 말했다.
이 박사의 도움으로 축구 속에 숨어있는 과학의 세계를 찾아가 본다.≫
■가장 안정된 축구공의 구조
축구공은 둥근 모양의 가죽으로 일정한 크기와 무게, 공기압력을 가져야 한다. 정이십면체에서 꼭지점을 자른 모양이다.
각 모서리 선상을 3등분한 각 지점들이 3차원 공간에서 60개의 점이 된다. 이 점이 바로 축구공의 껍질 조각들이 만나는 지점이다.
이 점들을 연결하면 12개의 오각형과 20개의 육각형 조각들로 구성되는 축구공이 만들어진다.
이러한 구조는 분자 크기의 세계에도 존재한다. 60개의 탄소 덩어리인 C60은 축구공의 모양과 똑같다.
나노 세계의 축구공이라고 할 수 있다. 1985년 크로토, 스몰리 등이 헬륨 가스 안에서 흑연의 구조를 분석한 결과 가장 안정된 탄소 구조를 찾아냈다. 이것이 C60이다.
모형을 만들어 바닥에 떨어뜨려도 튀어 오를 정도로 안정된 구조다.
강한 원자간 결합을 하고 있어 다이아몬드 만큼 안정성이 높다. 미국의 건축가 풀러가 고안한 다양한 돔 모양의 건축물이 ‘벅민스터 풀러렌’이라고 불린다.
이 신물질은 여러 분야에 사용될 가능성이 높다. 탄소 나노튜브처럼 생체에 주입되는 물질을 운반하는 캡슐로 사용될 수 있고, 고온 초전도체나 폴리머 소재로도 응용이 가능하다.
축구공의 모양과 일치하는 C60은 심오한 기하학적 해석과 함께 실제 자연 속에 존재하는 안정적이고 신비한 구조물이다.
■물리와 축구공의 움직임
축구공의 움직임에는 물리학의 원리가 적용된다.
축구공을 강하게 차면 똑바로 나간다. 그러나 스핀을 생각하면 움직임이 달라진다.
축구공의 진행 방향이 결정되면 축구공의 아래 위로 공기 흐름이 형성된다. 한쪽은 조금 빠르고 다른 한쪽은 조금 느린 흐름이다.
공기의 흐름이 빠르면 그곳에서의 압력은 낮아지고 힘을 받게 된다. 이것이 ‘베르누이의 정리’다.
비행기 날개의 윗면 쪽이 곡선 모양이 되면서 비행기 상승의 힘을 만드는 원리와 같다.
이같은 현상은 1852년 독일의 물리학자 마그누스가 포탄의 탄도를 연구하면서 발견했다고 해서 ‘마그누스 효과’라고도 불린다.
축구공을 강하게 차면 공기 층이 얇은 흐름을 형성하지 않고 난류(turbulence) 상태에 들어간다. 공의 속도는 마찰력의 영향을 받는데, 시속 100㎞를 넘는 축구공이 난류영역에 들어가면 베르누이의 정리가 적용되지 않는다.
공의 진행방향 반대편으로 작용하는 마찰력이 난류 영역에서는 크지 않아 공의 속도가 아주 빨라지게 된다.
프리킥 상황에서 수비수들이 9.14m를 물러나는 것도 난류상황에서 공의 속도가 빨라지는 위험성을 피하기 위해서다.
이 박사는 “축구공의 표면을 골프공처럼 만들면 공의 움직임에 더 많은 요동이 생겨나 공격적인 축구가 가능해질 것”이라고 말했다.
정상원기자
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