마그누스 효과

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마그누스 효과를 공에 적용한 그림. V는 유체의 속도, F는 작용하는 힘을 나타낸다.

마그누스 효과( - 效果, 영어: Magnus effect)는 유체(액체 또는 기체) 속에 잠긴 채 회전하며 운동하는 물체에서, 이 물체와 유체 사이에 상대속도가 존재할 때 그 물체의 속도에 수직인 방향으로 물체에 힘이 발생하는 현상이다. 마그누스 효과는 공을 이용하는 스포츠에서 주로 발생하며, 공을 의도적으로 휘어지게 하려는 기술에서 중요하게 다뤄진다. 1852년 독일의 물리학자이자 화학자인 하인리히 구스타프 마그누스포탄의 탄도를 연구하다 발견했다.

마그누스 효과의 원리[편집]

시계 방향으로 회전하는 공이 오른쪽으로 날아가는 경우를 생각해보자. 이때 운동하는 공과 공기의 충돌에 의해 공의 이동 방향의 반대 방향, 즉 오른쪽으로 주변 공기의 흐름이 생기게 된다. 또한 공이 회전하기 때문에 공의 표면에 아주 가까이 있는 공기는 공과 같은 시계 반대 방향으로 움직이게 된다. 그렇게 되면 공의 위쪽에서는 공에 가까운 공기와 주변의 기류가 서로 반대 방향으로 이동한다. 따라서 위쪽의 공기는 상대적으로 느린 속도를 갖게 된다. 반대로 공의 아래쪽에서는 공에 가까운 공기와 주변의 기류가 서로 같은 방향으로 이동하기 때문에 상대적으로 빠른 속도를 갖게 된다. 베르누이의 법칙에 의하면 유체(액체 또는 기체)에서 물체의 속도가 증가하면 그 물체가 유체로부터 받는 압력은 감소하고, 반대로 물체의 속도가 감소하면 그 압력은 증가한다. 따라서 상대적으로 빠른 속도를 갖게 된 공의 아래쪽의 압력은 감소하고, 상대적으로 느린 속도를 갖게 된 공의 위쪽의 압력은 증가한다. 공의 위, 아래에 발생한 이 압력차이가 양력을 발생시켜 공을 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시키고 이런 힘을 마그누스 힘이라고 한다. 이 힘에 의해 공이 회전 방향(이 경우에서는 아래쪽)으로 휘게 된다. 마그누스 효과는 물체의 회전 방향에 따라 어느 방향으로도 작용할 수 있다.

마그누스 힘의 크기[편집]

마그누스 힘은 회전하는 공의 회전각속도와 이동속도, 공의 반지름, 단면적, 그리고 공이 이동하는 유체의 밀도에 비례한다. 회전이 빠르거나, 공을 빠르게 던지면 그 힘의 크기가 커지고, 공이 클수록, 유체의 밀도가 높을 수록 힘이 커지므로 마그누스 효과가 잘 나타난다.

{F}={1\over 2} { \rho}{\omega}{r} {V}{Al}

F = 마그누스 힘

\rho = 유체의 밀도

\omega = 회전각속도

r = 공의 반지름

V = 공의 속도

A = 공의 단면적

l = 상수

마그누스 효과와 스포츠[편집]

마그누스 효과는 공을 이용하는 어떤 스포츠에서도 나타날 수 있다. 골프, 야구, 테니스, 탁구, 축구 등에서 선수는 상대편 선수가 없는 곳으로 공을 보내기 위하여 또는 상대편 선수를 속이기 위하여 공을 회전시키려 노력한다. 야구 투수는 야구공의 실밥을 잡고 공을 던져 공에 큰 회전을 줄 수 있다. 회전이 클수록 공에 나타나는 마그누스 효과도 커지므로 공이 큰 커브를 가지고 휘어질 수 있다. 반대로 공에 회전을 전혀 주지 않을 수도 있는데, 이 때는 마그누스 효과가 아닌 다른 물리적 효과가 발생하게 된다. 축구에서도 바나나킥이라 불리는 스핀킥이 있다. 이 킥은 공을 찰 때 공에 회전을 주어 마그누스 효과가 발생하여 수비수 근처에서 공의 궤적이 휘게 된다. 테니스나 배구에서는 공에 톱스핀을 가하여 마그누스 효과를 준다. 이 때문에 공이 날아가다가 급격히 떨어지게 된다. 골프에서 초보자들이 흔히 겪는 실수는 공에 회전을 주어 마그누스 효과가 발생하기 때문에 공이 목표지점보다 크게 벗어나는 것이다.

마그누스 효과와 총알[편집]

마그누스 효과가 처음 발견된 것이 탄도의 연구였던 것에서 알 수 있듯이 총알도 마그누스 효과에 의하여 궤도가 변할 수 있다. 그렇지만 총알은 그 폭발력에 의해 음속의 몇 배나 되는 속도로 날아가기 때문에 마그누스 효과에 의해 변하는 궤적은 거의 없다.