보트 선형의 이야기 보론 (1) 보트의 운동에 대한 고찰 - 롤링

라덴씨입니다. 

그간 개인적인 퇴사문제로 인해 신변정리하느라 글 쓸 틈도 없었고.. 요즘 아이들을 아이들을 재우면서

저도 자버리는 경우가 많아 밤에 쓰기도 어렵고.. 덕분에 책을 쓰는 계획도 예정보다 많이 늦어지게 되었는데 

일단 중간과정에서 지난번에 정리했던 내용의 보론격으로 정리해 드리는 것이 여러모로 많은 분들께 

도움이 될것 같아 두편을 더 쓰기로 마음먹게 되었습니다. 나름 제 집필 계획에도 도움이 될것 같고.. 

두가지 토픽은 1) 선체의 운동과 그 변수에 대한 관계.  2) 선체 종류별 특징에 대해서 좀더 기술해 보겠습니다. 

아마도 상당한 시간이 소요될 것으로 예상되고 4~5편으로 나누어 말씀드릴 수 있을것 같습니다. 

보통 한편을 쓰는데 생각하고 쓰고 수정하고.. 그림 찾고 만들고.. 5~8시간이 걸립니다. 

개인적으로 보면 이렇게 시간을 쏟는 것은 분명 미친 짓이지만... 의미가 있는 일이 될 것으로 믿습니다.

아무도 밟지 않은 새하얀 눈을 밟는 기분도 나름 좋습니다.

부디 선박을 처음 접해보시는 분들에게 많은 도움이 되었으면 합니다. 그렇게 하고자 하는 것이 목적이었으므로 

도움이 되셨다면 제게는 가장 큰 보수가 될 것입니다. 

==========================================

오늘은 첫번째 시간으로 일반적인 선박의 운동에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 

일반적으로 선박은 움직이는 축과 부위에 따라 여러가지 운동형태로 나뉩니다만 그중 여러분들이 주의깊게

알아두시면 좋은 것들은 롤링, 피칭, 요잉의 3가지 정도를 들 수 있겠습니다. 슬립 같은 건 선체 자체의 운동이라고

보기는 어려워서 빼도록 하구요. 이중에서 롤링에 대해서는지난번에 잠시 제가 언급했던 적이 있었지요. 

아무튼 이 세가지를 한장의 그림으로 쉽게 표현하면 이렇습니다. 달리 설명은 필요치 않을것 같습니다. 

우선 첫번째로 롤링(=Roll )입니다. 

롤링이라 한다면 배가 좌우로 흔들리는 것을 의미합니다. 

이전에 한번 언급했던것과 같이 롤링이라는 것은 배가 횡방향의 외부 에너지에 적응하는 과정 이라고 말씀드릴 수 

있겠습니다. 곧 물에 떠있는 한은 모든 배는 절대 롤링을 피할 수 없습니다. 선형에 따라 정도의 차이만이 있을 뿐이죠.

롤링에 대한 이슈는 지난번엔 쉽게 배멀미를 말씀드렸습니다만 정확히는 배가 횡파를 맞았을 때 얼마나 기울게 되며

어느정도의 시간이 걸려 복원하는지, 어느정도까지 기울었을 때 배가 전복하는지 등의 안전에 관련된 이슈가 

좀더 중요하지 않을까 생각합니다.  

 제가 지난번에는 롤링을 이해하는데 대하여 아마도 선폭을 말씀드렸던 것으로 기억합니다만 실은 단순히 선폭이라기

보다는 배와 부력의 중심 사이에 벌어지는 힘의 균형을 이해하셔야 합니다. 

이 그림은 배가 그대로 정선해 있을 경우를 그려본 것입니다. 

즉 외부에서 오는 에너지가 없이 잔잔한 물이라면  위와 같이 배의 무게와 부력이 같은 크기로 서로 상쇄된 상태에서

멈추어 떠 있게 됩니다. 이 때 이 선을 보통 흘수 라고 부르게 되며 이를 도색 등으로 구분하거나 선체에 표시했을 때

흘수선이라고 부르게 됩니다. 

 일반적으로 선체의 무게(=중력이 작용하는 크기) 와 무게중심은 불변하는 고정된 변수입니다. 다만 사람이 타게 되면서

몇사람이 어느 위치에 타느냐에 따라 배의 무게중심은 변하게 됩니다. 다만 이러한 사람을 고려하지 않은 경우 배는 

선체의 형태와 구조물등에 따라 무게중심이 달라지게 됩니다. 

위 사진을 보시면 A를 기준으로 선체가 어떻게 짜여져 있느냐에 따라 배의 무게중심이 어떻게 이동하는지를 

나타내고 있습니다. 좀더 쉽게 이해하시기 위해 설명을 드리자면 A를 일반적인 센터콘솔이라 하면 

B는 데크가 없거나 낮은 모노헐 스타일, T-TOP이나 2층 조타 석이 들어가 있는 경우를 생각해 볼 수 있습니다. 

물론 구조물에 따라 각각의 무게가 달라지면 흘수선이 달라지겠습니다만 이 설명에서는 무시하기로 하구요. 

B의 경우를 보시면 무게중심이 아래로 내려가 것을 보실 수 있습니다. 반대로 C의 경우는 각종 구조물로 인해

무게중심이 위쪽으로 많이 올라 간 것을 보실 수 있습니다. 

 이 무게중심의 상하이동은 배의 안정성과 롤링에 직접적인 영향을 끼치는 매우 중요한 요소입니다. 이 것으로 

배의 롤링 및 롤링에서의 복원, 선체에 따른 민물과 바다로의 적합성까지 설명할 수 있습니다.

 이제 이야기를 진행시키기 위해 A가 기울어질 때 일어나는 현상을 보여드리도록 하겠습니다. 

이 그림은 A가 출렁일 때 일어나는 변화를 그려본 것입니다. 배가 왼쪽으로 기울면서 불변인 배의 무게중심은 

그대로 유지하고 있으나 배가 기울게 됨에 따라 물에 잠기는 선체 모양이 달라지면서 부력의 중심이 이동하게 됩니다. 

즉 선체의 모양으로 인해 배가 기울면 기울수록 부력의 중심이 배의 중심보다 왼쪽으로 이동하게 되며 

( 부력은 물을 얼마나 밀어내느냐의 척도이기 때문에 바닥이 평평해 지는 쪽으로 커지게 되어있습니다. )

이러한 힘의 작용점의 이동으로 인해 배는 다시 오른쪽으로 균형을 회복하려는 힘이 생기게 됩니다. 

이 과정이 이해가 가지 않으시는 분께서는 젓가락을 가지고 생각해 보시면 이해가 빠르실겁니다. 

젓가락을 한 손가락으로 가운데를 누르면서 다른 손가락으로 왼쪽 아래에서 밀어 올리면 젓가락이 돌아가겠죠.

그렇게 왼쪽으로 기우뚱 하면 다시 오른쪽으로.. 다시 왼쪽으로 를 반복하다가 원래 균형을 찾게 되는 것입니다. 

이번에는 B를 보도록 하겠습니다. 

B의 경우에는 A보다 무게 중심이 낮기 때문에 배가 기울게 되어도 무게중심축의 변화가 상당히 적게 됩니다. 

반대로 기울기 변화에 따른 부력의 중심은 같은 폭으로 변화하는 만큼 원래대로 돌아오려고 하는 복원력이 상대적으로

커지게 됩니다. 그만큼 롤링이 적게 나타나는 결과가 나오게 됩니다. 

 보통 4미터 이하의 작은 배들을 보면 데크가 없거나 데크가 상당히 낮아 바닥면적이 좁게 나오는 경우가 있습니다. 

생각하기 나름입니다만 상대적으로 배가 볼품없이 보일지 모르겠으나 그렇게 선체를 만드는 이유는 탑승자의 

위치를 내려 배 전체의 무게중심을 낮추기 위한 이유가 있습니다. 작고 선폭이 작은 배에서 롤링을 최소화시키기 위한

설계의 한 요소로 이해할 수도 있다는 이야기입니다. 

이번에는 C를 보겠습니다. 

사실 이해의 편이를 위해 높이를 극단적으로 그렸으나 고만고만한 레저선 중에서도 이런 식으로 중심이 올라가는

요소는 어렵지 않게 찾아볼 수 있습니다. T-TOP이나 많이들 튜닝하시는 롤바 및 롤바 위에 중량물을 잔뜩 올려두시거나

뭐 이런 부분들이 조금씩은 영향을 줄 수 있는 요소들이 되겠죠. 같은 원리이므로 특별한 설명은 필요없겠으나

A B 에 비해 기울기 시작할 때부터 무게중심축과 부력 중심 축간의 거리가 좁게 나타납니다. 이렇게 되면 곧 

복원력이 적게 나올 수 밖에 없을 것입니다. 또한 이런식으로 기울어질 경우 맨 오른쪽 그림을 보시면 무게중심축과

부력 중심축이 역전하는 결과가 나올 수도 있습니다. 이렇게 되면 탑승자들이 재빠르게 이동하여 배의 무게중심을 

바꾸지 않는다면 롤링에 의해 배가 뒤집어지는 결과가 나올 수도 있습니다. 

 사실 A B의 경우도 기울기가 계속 심해진다면 중심축이 역전하게 되어 배가 뒤집히게 됩니다. 다만 무게중심의 

높이에 따라 어느 정도까지 버틸 수 있는지 그 한계가 다르게 나올 뿐입니다. 

선폭과의 관계에 있어 앞서 말씀드린 것처럼 롤링의 정도는 무게중심과 부력의 중심이 어떻게 이동하느냐에

달린 문제이기 때문에 일단은 선폭이 넓을 수록 롤링은 적어지게 됩니다. 

쉽게 그려보면 위와 같습니다. 선폭이 넓을 수록 각 힘의 축간 거리가 멀어지면서 복원력이 강해지는 이치입니다.

다만 선폭이 넓다는 점은 양날의 칼과 같아서 같은 깊이의 배의 선폭을 넓히려면 배가 평평해 지거나 혹은

배가 높아져 무게줌심이 올라가거나.. 선폭이 넓어진 만큼 더 큰 저항을 받게 되며 결국 더 큰 출력이 필요하게

되는 부작용을 안고 있습니다. 마냥 선폭이 넓은 배도 좋다고 볼 수 없다는 것입니다. 

 

 또한 롤링은 선체의 모양에 따라 다르게 나타나게 되기도 합니다. 사실 이 이슈는 바닥이 평평한(=Flat 한) 보트를 

파도가 있는 바다로 끌고 나갔을 때 왜 문제가 되는지를 말씀드리려 함입니다. 아마도 일전에 제가 바닥이 평평한 

민물보트들은 잔파도에도 텅텅 튀는 경향이 있다고 말씀드린적이 있습니다만 사실 파도에 의한 롤링에 

무척 취약합니다. 이론대로 하자면 부력이란 바닥면이 평평할 수록 커지기 때문에 제자리에서의 롤링은 

상당히 줄어들고 안정감을 얻을 수 있지만 그 부력 때문에 파도에 대한 적응력이 많이 떨어지게 됩니다. 

아래 그림을 보시겠습니다. 

일반적인 레저보트는 V헐로 많이 이루어져 있습니다만 대양을 항해해야 하는 화물선이나 장거리용 세일요트는 

중심을 잡는게 쓰이는 킬이나 러더 등을 제외하면 둥근모양의 헐을 쉽게 볼 수 있습니다. 

이는 레저보트가 넘나드는 이상의 험난한 바다에 대응하기 위한 것인데 그 이유가 위 그림에 나와 있습니다. 

평평한 헐의 경우 순간적인 움직임에는 둥근 헐보다 상당히 강한 복원력을 보입니다. 이유는 부력의 중심이 

더 큰 폭으로 이동하기 때문인데 이는 부력의 중심은  잠기는 단면적의 중심이 되기 때문에 바닥이 둥근 헐 보다

작은 움직임에도 큰 복원력을 기대할 수 있습니다. 바닥이 네모난 형태이기 때문입니다. 반면 둥근 헐의 경우 

같은 에너지를 측면에서 받는다면 평평한 헐 보다 복원력이 적기 때문에 좀더 많이 흔들릴 것입니다. 

다만 극단적으로 극한 상황에 왔을 때 만약 배가 거의 90도에 가깝게 수평으로 서게되는 상황이 왔다면

이야기는 정 반대가 됩니다. 둥근 헐의 경우 바닥이 둥글기 때문에 잠기는 면적이 더 큰 데크쪽으로 중심이 이동하여

어떻게든 복원력을 갖게 되지만 평평한 헐의 경우 그 모양으로 인해 무게중심이 서로 일치하여 그대로 서버리는 

일이 생기게 됩니다. 보통 이런 상황이 되면 배는 그대로 침몰하게 됩니다. 

 물론 그 시점이 어느정도냐는 선체마다 다르겠지만 제가 드리는 말씀은 어디까지나 상대적인 관점으로 

평평한 헐이 수직으로 균형을 잡는 시점에서 침몰한다면 바닥이 둥근 헐은 제자리로 돌아갈 수 있다.. 로

이해하시는게 맞습니다. 그리고 우리가 많이 타는 V헐은 그 중간의 성격을 띄게 될 것입니다. 

 여기에 한가지 더 생각해 본다면 횡파에 어떤 모양으로 적응하느냐를 생각해 볼 수 있습니다. 

아래 그림을 보시겠습니다. 

위 그림은 배 밑으로 횡파가 지나갈 때를 극단적으로 그려본 것입니다. 

보시다시피 눈에 띄는 차이는 파도의 상단으로 올라가타면서 갑판의 기울기가 어떻게 변하느냐의 차이입니다.

파도에 의해 배가 기울어지게 된다면 어느 쪽도 파도의 반대방향으로 배가 기울어지는 힘을 받게 됩니다만

선형에 따라 그 정도의 차이를 보이게 됩니다. 

바닥이 둥근 경우는 가장자리쪽 부력이 평평한 경우보다 더 적기 때문에 부력의 중심축이 좀더 배 안쪽으로

들어오게 되고 이는 배의 무게중심축과 부력의 중심축이 가까워지면서 좀더 덜 기울어지고 결과적으로 

덜 흔들리게 되지만 평평한 경우에는 파도를 그대로 타버리는 경향을 보이기 때문에 파도의 기울기와 갑판의

기울기가 큰 차이가 없게 됩니다. 결국 위험한 상황이 벌어질 가능성이 큰 것입니다. 

일반적으로 횡파가 올 때 파고.. 즉 파도의 고점과 저점의 차이가 선폭을 밑돈다면 큰 무리 없이 지나가게 됩니다. 

이러한 경우에는 평평한 헐쪽이 좀더 유리할 수도 있습니다. 다만 선폭을 넘어가는 큰 파도를 횡으로 맞는다면

평평한 헐의 경우 배가 전복될 수 있는 위험한 경우가 벌어지게 되는 것입니다. 나중에 피치를 말씀드릴 때 다시

언급하겠습니다만 피치의 경우 방향만 다른 것이기 때문에 파도를 앞으로 받는 경우에도 그 파고가 배의 전장을 

넘어가는 경우에 배가 전복할 가능성이 상당히 커지게 됩니다. 

제가 평평한 보트라고 말씀드린 것은 가장 좋은 예는 존보트 같은 민물 배가 되겠습니다만 우리나라에서 유독

많이 타고 계시는 고무보트나 4미터 이하의 헐이 낮은 RIB(=콤비) 보트의 경우에도 사정은 크게 다르지 않습니다.

고무보트와 같은 튜브가 있는 스타일이 제일 안전하다고 언급되는 이유는 배가 전복되었을 때 침몰하지 않는다는

점 때문이지 전복이 위험이 적기 때문이 아니니 횡파에 각별히 신경쓰셔야 합니다. 

( 보통 일반적으로 3미터 이하의 작은 보트의 경우 동일 사이즈 고무보트 보다 전폭이 좁은 경우가 대부분이라

  FRP 보트와 직접적으로 비교하기에는 무리가 있고.. 고무나 콤비의 태생적인 한계를 말씀드린 것 입니다. )

오늘은 선형과 롤링의 관계에 대하여 배의 무게중심-부력의 중심의 상관관계를 통해 이해해 보았습니다. 

이를 통해 배를 구입하실 때 롤링에 대한 예측과 무게중심의 중요성에 대해 한번 더 생각해 보는

계기가 되었을 것으로 생각합니다. 

다음시간에는 피칭에 대해서 말씀드리도록 하겠습니다. 

긴 시간 졸필 읽어주시어 감사드립니다.