보트 선형의 이야기 보론 (2) 부력에 관한 이해.

라덴씨입니다...

아... 자동저장을 믿고 있었는데 지워지기도하는군요.. ㅠ.ㅠ.. 

반쯤 써둔게 날아가고 결국 새로운 마음으로 백지에 다시 적어나가고 있습니다. 오히려 더 잘 된건지도 모르겠습니다. 

원래 계획은 보트의 운동 두번째 피치에 관한 글이 나와야 하겠습니다만 아무래도 부력에 대한 이해가 없이는 

앞으로 나올 이야기들의 설명이 곤란할것 같아 부력에 대해 다시한번 쉽게 말씀드려보도록 하겠습니다. 

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부력 하면 가장 먼저 떠오르는 이야기는 아르키메데스의 이야기입니다. 

왕관에 들어있는 금의 양을 알아내라는 명령에 고민하다 목욕탕에 들어가서 넘치는 물을 보고 이거야! 라고 하면서

부력에 대한 개념을 깨달았다.. 라는 일화입니다. 다들 학교다니실 적 한번쯤은 들어보셨을 이야기입니다. 

부력의 사전적인 의미는 "유체 중의 어떤 물체에 대하여 수직 상향으로 작용하는 힘." 이라는 한마디로 요약이 됩니다. 

제가 그래서 지난번 부력을 잠시 말씀드릴 때 수직방향의 물의 저항 이라고 말씀드린 적도 있었습니다. 

부력은 크게 두가지 영역으로 이해할 수 있습니다. 하나는 부피, 다른 하나는 무게입니다. 

일반적으로 어떠한 물체가 물에 뜬다면 물에 잠긴 부분만큼 물을 밀어내게 됩니다. 아마 작은 수조나 목욕탕에서 실험한다면 

수위가 그만큼 올라갈 것입니다. 위 아르키메데스의 고사도 비슷한 경우가 되겠습니다. 

즉 아르키메데스가 물에 들어가서 물이 넘쳤다면 그 넘친 양은 아르키메데스의 부피가 되겠습니다. 

다른 하나는 무게의 개념입니다. 정확히는 단위부피당 무게인 비중으로 이해해야 할 지도 모르겠습니다. 

아래 그림을 보시겠습니다. 아마 부력을 설명하는 글에서 많이 보시지 않았을까 싶습니다. 

위 그림에서 보시다시피 철괴 1KG 덩어리는 물에 가라앉습니다. 하지만 건조중량이 1Kg인 철선은 물에 뜰 수 있습니다. 

왜 그럴 까요.. 

철의 비중은 약 7.83 입니다. 곧 물보다 7.83배 무겁다는 뜻이 되겠는데요. 쇠덩어리가 1kg이 가라앉는 철괴가 물의 7.83배인 

7.83 KG의 물을 밀어내지 못했기 때문입니다. 반대로 1KG의 쇠로 배를 만들어 띄웠다면 7.83Kg의 물을 밀어내고도

그만큼 부력이 남았기 때문에 물에 떠있을 수 있는 것입니다.  

만약 저 철선에 물의 비중과 같은 물을 계속 퍼다 담는다면 배는 서서히 잠기게 될 것이고 참몰하기 직전까지 물을 담았을 때

그 물의 무게가 배의 총 배수량.. 즉 우리가 흔히 말하는 톤 수가 됩니다. 대개는 직접 물을 담을 수는 없으므로 

계산을 통해 근사치를 구하게 됩니다. 

여기까지 대강은 이해하셨을 것으로 생각합니다. 

그럼 부력과 배에 관련된 몇가지 이슈에 대해 말씀드려보도록 하겠습니다. 

1. 불침선?

  보스턴 훼일러를 위시하여 최근의 보트들은 대부분 불침설계가되어있다고 이야기하는 경우를 많이 볼 수 있습니다. 

특히 보스턴 훼일러는 자신들을 불침전설이라고 이야기하면서 광고를 합니다. 사실 불침설계에 있어 가장 오래되기는 하였습니다. 

최근의 보트들은 

저모양으로 투어를 다녔다고 합니다. ;;;

일반적으로 이상없이 배가 물에 떠 있을 때는 당연히 가라앉지 않습니다. 배의 덩치가 배의 무게 만큼의 물을 밀어내고도 

여유가 많이 있기 때문입니다. 그래서 사람들이 올라타도 문제가 없는 거겠죠. 

다만 배가 쪼개지거나 큰 파도를 맞아 물이 들어오거나 할 경우에는 문제가 됩니다.

 

아래 사진을 보시겠습니다. 

위 사진을 보시면 총 배수량 0.5톤인 배가 있고 자중이 0.1톤인 배가 있는데 큰 파도를 맞아 배안에 물이 가득 들어찼다고 합시다..

내부에 부력재가 없는 경우라고 하면 대개의 배는 가라앉게 됩니다. 물이 가득 들어찼을 때 0.5톤 이상의 물을 밀어내지 못하기 때문입니다. 

하지만 내부에 부력재가 들어가 있다면 0.5톤까지 물이 들어가지 못하게 될 것이고 그만큼 무게가 가벼워지면서 물에 뜰 수 있게 되는 것이죠. 

불침선 이라는 것은 이런 의미입니다. 보스턴 훼일러의 경우 배 거의 내부가 부력재로 차 있고 일본계 선박은 

뼈대 안쪽으로 필요 최소한만 들어가 있는 경우가 많습니다. 그래서 보스턴 훼일러를 위시한 미국계선박은 부력재 때문에 

선저 내부 공간을 활용하지 못하는 경우가 많습니다. 반면에 일본계선박은 거의 자연순환식 어창을 가지고 나오는 경우가 많습니다. 

 불침선에는 위와 같이 부력재를 이용해서 물이 들어가는 공간을 메우는 방법이 있고 미국의 트라이엄프 보트처럼

아예 물보다 비중이 낮은 소재로 배를 제작하여 자체적으로 부력을 가지게 하는 경우도 있습니다. 그렇게 따지고 들어가면 

사실 뗏목같은 경우에도 마찬가지가 되겠습니다. 나무 자체가 물에 뜨니까 불침선이죠. 

2. 선형과 부력의 관계

다음은 부력과 선형에 대한 것을 생각해 보겠습니다. 

실은 이 이야기를 하기 전에 보여드리고 싶은 것이 있습니다. 

보시다시피 낚시에 흔히 쓰는 찌 입니다. 보팅에서는 사용빈도가 적습니다만.. 

찌에는 그 목적에 따라 여러가지 모양이 있습니다. 같은 1호라고 해도 수많은 찌가 있고 같은 구멍찌, 막대찌라 해도 그 모양이 같은 것이 없습니다. 

갯바위 낚시나 민물 붕어등을 해 보신 분들은 잘 아시겠습니다만.. 보통 예민한 고기를 잡거나 혹은 입질이 예민할 때 이거나

멀리 있는걸 잡을 때 막대찌를 많이 쓰게 되고 필요한 민감도에 따라 길이나 굵기가 달라지게 됩니다. 

만약 같은 1호찌라고 하더라도 입질이 있을 때의 모습은 많이 다르게 됩니다. 일단 쑥 들어간 깊이가 많이 차이나게 됩니다.

즉 물고기가 당기면서 들어간 힘의 크기가 같으므로 찌가 잠긴 깊이는 다르지만 그 총 부피 = 밀어낸 물의 양은 같게 됩니다.

그렇다면 당연히 막대쪽이 작은 힘에도 크게 반응 할 것이고 그래서 대상어가 예민한 경우 혹은 장타로 인해 시인성이 

필요할 경우에는 가늘고 긴 막대찌를 쓰게 되는 것입니다. 

제가 뜬금없이 찌 이야기를 꺼낸 이유는 저런 현상이 벌어지는 이유가 즉 부력과 떠있는 모양에 따라 관계가 있다는 것을 

설명드리려고 했던 것이고 이는 그대로 배에도 적용되기 때문입니다.

 바로 전편에서 아래와 같은 그림을 보여드린적이 있습니다. 

둥근 헐은 90도 옆으로 기울어도 다시 제자리를 찾아간다는 이야긴데 이 이유가 배의 모양 때문입니다. 

즉 잠긴 입장에서 보면 오른쪽은 둥글고 왼쪽은 각진형태인데.. 그림처럼 오른쪽이 파란 부분만큼 부력을 적게 받기 때문에

부력이 큰 왼쪽에서 오른쪽으로 배가 복원되는 힘을 받게 되는 것입니다. ( 물론 선체가 원형이라면 

기울어지는 과정에서는 저항이 덜하기 때문에 롤링이 더 쉽게 올 수 있습니다. )

 다음의 또 한가지를 쉬운 이해를 위해 좀 극단적인 예로 말씀드리겠습니다. 

언젠가 제가 비슷한 그림을 그린적이 있었습니다만.. 선폭이 좁으면 좁을수록 물에 잠기는 흘수선은 깊어집니다. 

즉 배가 저 모양의 단면적을 가진 막대모양이고 무게가 같다고 가정할 경우 물에 잠긴 부피는 같다는 것이지요. 

여기까지는 단순한 부력의 개념이구요.. 저 상태에서 파도를 만난다고 머리속에 떠올려 봅시다. 

아마도 얼추 이런 그림이 될 겁니다. 파도와 배가 만날 때 배는 파도를 넘으면서 한번 솟구치게 되겠지요. 

왜그럴까요..... 여러가지 이론으로 설명할 수 있겠지만 저는 그 이유를 부력이라고 말씀드리고 싶습니다. 

즉 배가 파도와 만나는 순간.. 파도는 앞으로 만나지만 선체의 입장에서 보면 방향만 다를 뿐이지 또 다른 수면과 맞닥뜨리는 

것이 되기 때문입니다.  선체가 수면과 만나고 그 무게 혹은 에너지 이상의 물을 밀어내게 된다면 물에 떠오르려고 할 것이고.

그래서 배가 솟구치는 운동을 하게 됩니다. 보통 이 때 탑승자는 텅! 하는 충격을 받게 되는데 이는 배의 종류와 선형에 따라 

상당히 다른 다른 느낌으로 다가오게 됩니다.

 이후에 말씀드릴 요잉에서도 언급되겠지만 선폭이 좁고 얇은 경우 앞서 말씀드린 막대찌가 같은 입질에 더 많이 움직이는

것과 같이 같은 부력의 에너지를 더 많은 길이에 나누어 받게 됩니다. 탑승자는 일시에 급격한 충격을 받지 않기 때문에 

상당히 부드러운 승선감을 느끼게 됩니다. 반면 선폭이 넓고 평평하게 갈 수록 같은 부력을 짧은 거리로 소화해야 하기 때문에

단위 시간당 충격량은 더욱 커지게 되고 탑승자는 일시적으로 큰 충격을 받게 됩니다. 전에 올린 배스보트의 사고영상처럼 이 과정에서

탑승자가 튕겨 날아갈 수도 있습니다. 대개 고무보트를 타고 잔파도를 타고 온 날은 허리가 아픈 이유도 같이 이해할 수 있습니다. 

 순서가 바뀐 감이 있지만 위와 같은 선체의 단면은 두가지 방향에서 동시에 고려되어야 합니다. 지금까지 제가 그렸던 그림들은 

이해를 쉽게 하기 위해 단순한 삼각기둥형태의 배의 단면만을 그렸습니다만 실제 배는 그렇지 않고 받는 부력의 방향도

물 밑에서 받는 부력이 있고 물을 차고 나가면서 앞쪽으로 받는 부력(=물의 저항치)도 있기 때문입니다. 

대부분의 레저보트에 적용되고 있는 활주스타일의 Modified V-hull 을 부위별로 잘라보면 아마 그 단면이 아래 

그림처럼 나오게 될 것입니다. 이 부분은 다음에 다시 말씀드려야 하겠으나 오늘은 간단히 말씀드릴까 합니다. 

즉 하나의 선체에는 부위별로 다양한 모양으로 부력을 받게 됩니다. 보통 배를 볼 때는 저게 배구나.. 하는 생각밖에 

없으실지 모르겠지만 실제 조그만 설계의 차이점에 따라 결과상으로는 많은 차이가 나오게 됩니다. 

각 업체별로 최적의 설계를 찾아내는데 많은 시간과 비용이 투자됩니다. 그래서 비싼 배는 비싼 이유가 있는 것이죠.

안타깝게도 국산 보트들은 시행착오를 통해 설계를 개선해 나갈 만큼 시장이 크지 못합니다. 혹여 해외 몰드를 카피했다손 쳐도

단순한 모양만 카피할 뿐 그에 따르는 내장재의 설계, Frp 두께등에 따른 무게 배분은 전혀 고려되고 있지 않습니다. 

물론 시행착오를 통한 설계의 개선은 말할 것도 없겠습니다. 투자의 여유도 없고 투자할 이유도 없습니다.

따지는 사람이 없기 때문이겠지요... 

  이야기가 옆으로 새고 있습니다만 더더욱 안타까운 점은 저를 포함한 소비자의 수준이 너무 낮습니다. 그저 무식하다는 이야기가 

아니구요. 아직 배를 보고 평가하는 관점이 배의 재질이나 종류에 그칠 뿐 세부적인 설계를 볼 안목도, 자료도 없고 설계가 잘 된 보트에 

그만한 가치를 인정해 줄 의사도 없다는 것이 제일 큰 문제입니다.  물론 그만그만한 소득수준이 원인이겠습니다만... 

그래서 저도 모르는걸 알기 위해 짬짬히 공부하여 생각하고 있고 이런 자료들이 활발히 정리되어 오픈되고 많은 토론이 이루어져야 합니다.

더 많은 레저인들의 안목이 올라갈 수록 업계도 이에 적응해야 하고 그 과정속에서 레저선박 시장은 점점 선진화되어갈 겁니다. 

슬슬 마무리를 해야 할것 같습니다. 같은 이슈를 열흘 넘게 잡고 있으니 저도 슬슬 지쳐가고 있는지라 =);;... 2/15일쯤 쓰기 시작해서 

삼일절이 되어서야 끝이 나는군요.. 

 사실 배의 선형(=설계)와 배의 운동성에 대한 이슈를 말씀드리자면 열개 스무개도 거뜬히 뽑아낼 수 있겠습니다만, 이번에는 그중 가장 

기초가 되는 부력에 대해 한번 다시 말씀드려 보았습니다. 

 세상 삼라만상이 같은 것이 대해 어떻게 생각하느냐에 따라 우리는 더 많은 것을 볼 수도 있고 그렇지 못할 수도 있습니다. 

저의 이야기는 정답도 아니고 가급적 쉽게 설명하고자 하여 그렇게 깊이 있지는 않습니다만 여러분의 생각의 폭을 넓히는게 

조금이나마 도움이 되었으면 합니다. 

다음편은 원래 예정했던 요잉에 대해서 말씀드리도록 하겠습니다. 

졸필 읽어주시어 감사합니다.