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풀잎을 춤추게 하는 카르만 소용돌이 법칙







황춘성 may@minicactus.com







겨울철 찬바람이 매섭게 불어올 때면 전봇대 위의 전선들은 온 몸을 떨며 구슬픈 울음을 운다. 시골 농로로 흐르는 물결에 드리워진 풀잎은 주기적으로 좌우로 흔들리는 모습이 마치 춤이라도 추고 있는 것처럼 보인다.누가 시키지도 않았는데 이러한 현상은 왜 일어나는 것일까?

위의 이미지는 MTSAT 기상위성이 우리나라를 적외선 관측한 결과물로 지난 1월 24일 15:33 경의 사진과 2월 16일 아침 07:00 경에 제주도 남쪽으로 뚜렷한 소용돌이 모양이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 모양은 매년 몇 번씩 나타나곤 한다.

위 사진들처럼 액체나 기체가 적당한 빠르기로 균일하게 흐르는 와중에 장애물을 만나면 규칙적으로 소용돌이들이 형성된다. 오래전부터 연구해온 학자들이 꽤 많았지만 연구를 완성한 연구자의 이름을 따서 카르만 소용돌이열 (Karman's vortex series)이라 부르고, 각각의 소용돌이를 카르만 소용돌이 또는 카르만볼텍스(Karman's vortex)라고 부른다.

이러한 기류의 형성은 유체의 층흐름이 균일하게 형성되는 일반적인 점성 유체의 운동에 비해서 거대한 구조(카르만 세포)의 소용돌이가 형성되어 한꺼번에 커다랗게 떨어져 나감으로서 운동량이 한꺼번에 대량으로 외부로 빠져나가는 현상이 발생하여 점성계수가 매우 커지는 현상이 발생한다.

이러한 점성을 맴돌이점성 또는 겉보기 점성이라 부른다.잠수함이나 배의 운동에 있어서 운동방향의 뒤쪽에 발생하는 카르만 소용돌이는 배나 잠수함의 운동을 크게 방해하게 된다. 그래서 같은 연료로 좀 더 먼 거리를 여행하기 위해서 잠수함이나 배의 뒤쪽의 소용돌이를 줄이는 연구를 하고 있다.

그에 비하면 어류나 조류의 모양새는 유체역학적으로 카르만 소용돌이가 잘 형성되지 않는 매우 훌륭한 모양새를 갖고 있다. 그들의 뒷면에는 카르만 소용돌이나 난류가 거의 형성되지 않기 때문에 인간이 만든 기계보다 훨씬 더 효율적으로 수영이나 비행이 가능하다.

더군다나 그들의 느릿느릿하게 움직이는 꼬리는 커다란 카르만 세포를 형성시켜서 꼬리가 더 큰 추진력을 얻도록 만든다. (몸에서 발생하는 카르만 소용돌이는 헤엄치는 것을 힘들게 만들지만, 꼬리의 움직임에 의해서 생기는 카르만의 소용돌이는 반작용을 크게 만들어서 추진력을 크게 만든다.)

우리 조상들이 타고 다녔던 삿대로 저어가는 작은 배의 경우에도 물고기의 꼬리와 마찬가지로 느릿느릿 움직여 커다란 카르만의 소용돌이를 형성시킨다. 이러한 소용돌이 또한 배가 더 큰 추진력을 얻도록 해주는 중요한 요소라고 할 수 있다.

5월의 작은 선인장블로그운영자

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