물수제비, 그 속에 과학적, 수학적 원리 담겨 있어 

 

 

놀이 일종으로 호수나 냇가같이 물결이 잔잔한 곳에 돌을 던져 수면위로 튀어 오르게 하는 것을 물수제비라고 합니다. 호수와 같이 잔잔한 물가에 놀러가면 누구나 한번쯤은 해보는 것으로 모두에게 친숙한 이 놀이는 사실 역사적으로 그리스 시대에 사람들도 즐겨 했었다는 기록을 찾아 볼 수 있을 만큼 범세계적으로 오래된 놀이 중의 하나라고 할 수 있습니다.

 

물수제비를 여러 번 튕기기 위해서 대부분의 사람은 얇은 돌멩이를 골라 던지는데, 그렇다면 왜 얇은 돌멩이를 던지면 수면 위를 튕겨 오를 수 있고, 또 어떻게 하면 많은 횟수를 튕겨 오르게 만들 수 있을까요?

 

나름대로 물수제비를 가장 잘 던지기 위한 조건을 오랜 기간 연구하여 실제 물수제비 튕기기로 기네스북에 처음 오른 사람은 1992년 제르돈 콜먼 매기(Jerdone Coleman McGhee)라는 사람으로 38회 물수제비 튕기기를 성공한 것으로 기록되어 있고, 또 자신의 오랜 데이터를 바탕으로 “The secret of stone skipping”이라는 책을 펴내기도 했습니다. 이 기록은 2002년이 되어서야 깨졌으며, 현재 기네스북에 올라있는 최고 기록은 2007년 러셀 바이어스라는 사람에 의해 세워진 기록으로 무려 51번의 물수제비를 성공시켰다고 합니다.

 

하지만, 이러한 물수제비는 단지 재미있는 놀이로 기네스북의 희한한 기록 중의 하나로서가 아니라, 그 보다 훨씬 더 중요한 과학적 의미를 갖으며, 매우 중요한 분야에 그 원리가 응용되기도 합니다. 일례로 2차 세계대전 당시 영국군에 의해 시행된 ‘Skipping bombing’이라는 폭탄 투여 원리를 들 수 있습니다. 독일의 군수공장에 큰 타격을 주기 위해서 군수공장에 전력을 공급하는 

수력발전소의 댐을 폭파하려는 작전을 계획하던 영국군은 독일군의 레이더에 잡히지 않기 위해서는 저공비행을 해야하지만 댐에 저공비행으로 다가간 후 댐에 직접적으로 폭탄을 투여할 만큼 전폭기가 댐에 가까이 다가가는 경우 폭탄을 투여한 후 아무리 전폭기가 수직 상승을 한다고 하더라도 댐에 부딪힐 가능성 때문에 고민하던 중, 물수제비 원리를 이용하여 댐에서 어느정도 떨어진 호수면에 폭탄을 투여하여 폭탄이 수면에서 두세번 튕긴 후 댐에 근접한 곳에서 폭발하는 원리를 이용하여 성공적으로 작전을 수행하였다고 기록하고 있으며, 이를 ‘Skipping bombing’ 전술이라고 말합니다.

 

이렇게 과학적으로도 그 의미를 갖는 물수제비의 원리를 실제 이론적으로 밝히고자 한 첫번째 노력은 2002년 프랑스의 리더릭 보우케 (Lyderic Bocquet) 교수에 의해 이루어졌으며, ‘The physics of stone skipping’이라는 제목의 논문으로 미국 물리학회지(American journal of physics)에 2003년 2월에 게재되었습니다. 이 논문에 따르면 물수제비의 원리는 돌의 속도와 회전력에 따라 얼마나 멀리, 많은 횟수를 튕길 수 있느냐가 결정된다고 합니다. 보우케 교수는 이에 멈추지 않고, 이후 클라네(Christophe Clanet) 교수와의 공동연구를 통해서 지름 약 5cm의 얇은 돌이 수면과 20도의 각도를 유지하고 약 2.5m/s 이상의 속도로 수면에 충돌하면 물 속에 빠져들지 않고 튀어 오를 수 있다는 것을 수학적으로 증명해 2004년 저명한 과학저널인 네이처(Nature)에 그 결과를 발표하기도 했습니다. 이들은 최초 기네스북에 오른 매기의 38번의 물수제비 기록이 가능하려면 수학적으로 지름 약 10cm의 얇은 돌멩이를 최소 초당 14회의 회전을 유지하며 시속 40 km정도의 속도로 던져야 한다는 것을 역으로 계산해 보이기도 했습니다.

 

이러한 물수제비의 원리는 앞서 설명드린 바와 같이 실제 폭탄 투하를 위해 응용된 것처럼, 단지 놀이로서가 아니라 최첨단의 과학분야의 응용성에 대해 활발히 연구되고 있는데, 실제로 미국 항공우주국(NASA)의 연구원들은 매우 적은 연료로 빠른 속도의 운행이 가능한 비행기 개발에 물수제비의 원리가 효과적으로 응용될 수 있을 것으로 보고 연구를 진행하고 있습니다. 나사 연구원들이 상상하는 물수제비의 원리를 이용한 차세대 비행기는           비행기가 이륙 후 성층권이상으로 올라간 후 엔진을 끄고서 무동력 비행을 시작합니다. 추진력을 잃어서 서서히 고도를 낮추던 비행기는 성층권보다 밀도가 높은 대류권의 경계선을 만났을 때, 수면을 만난 물수제비처럼, 튕겨 올라가 성층권에서의 비행을 유지할 것으로 예측하며, 이를 이용한다면 미국 시카고에서 이탈리아의 로마까지 18번의 튕김을 통해 약 72분만에 비행이 가능할 것이라고 기대하고 있습니다.

 

누구나 호숫가에 가면 아무 생각없이 던져보는 물수제비. 그 속에 매우 심오한 수학적, 과학적 원리가 담겨져 있을 뿐 아니라, 그 원리가 엄청난 미래 과학의 근본이 될 수도 있다는 것. 우리의 일상 속의 매우 단순해 보이고, 의미없어 보이는 하나하나에 모두 과학적 원리가 깃들어 있으며, 그것이 미래 과학의 중요한 기본 원리가 될 수 있다는 것을 보여주는 좋은 본보기가 아닐 까 생각합니다.