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Picture from Flickr by Robert Wm. Gomez


골프는 스코어도 중요하지만, 특히 남자들의 경우에는 비거리에 대해서도 상당히 신경을 많이 씁니다.  약간은 자존심 싸움같은 것도 있지요 ...  그렇다면 비거리를 많이 내려면 어떻게 해야될까요?  아무래도 파워가 강한 것이 도움이 되겠지요?  물론 클럽헤드의 스윗스팟에 공이 맞는다는 전제하에 말이죠.

과거 포스팅에서 골프스윙에서의 근육의 역할에 대해 설명한 적이 있습니다.  오늘의 포스팅도 그 연장선에서 이어지므로, 시간이 있으신 분들은 아래 링크된 과거 포스팅도 꼭 읽어보시기 바랍니다.

2009/02/21 - [골프장, 골프과학, 골프의학] - 골프에 있어서 여러 근육들의 역할


일반적으로 파워는 힘 x 속도로 계산하게 됩니다.  또는 일(에너지) / 시간 으로 계산을 하기도 하지요.  결국 짧은 시간에 얼마나 많은 힘을 쓰느냐가 파워라고 할 수 있습니다.  현재 인간이 하는 스포츠 중에서 가장 강력한 파워를 내는 스포츠는 역도입니다.  올림픽 역도 선수는 보통 수백 kg의 역기를 약 0.6~0.9초 사이에 들어올리는데, 이는 5~9 마력에 이르는 엄청난 파워입니다.

골퍼의 파워는 좀 다릅니다.  클럽이 무겁다고 해도 드라이버의 무게는 200g 전후입니다.  그렇지만, 스피드는 매우 빨라서 골프 스윙을 하면서 임팩트를 할 때에는 이 정도의 무게의 헤드가 시속 100마일이 넘는 속도로 공을 때리게 됩니다.  이때 클럽헤드가 공을 때리는 것을 마력으로 환산하면 약 1.5 마력 정도가 된다고 합니다.  이렇게 강한 힘을 전달하는 것은 과연 팔의 근육들이 하는 것일까요?  아니죠.  이런 힘은 다리에서부터 몸통으로 올라오고, 몸통에서 어깨와 팔과 손목을 거쳐 클럽으로 힘들이 계속 축적되면서 전달되면서 생성됩니다.  클럽이 공을 때리는 힘만 저 정도가 되니, 이를 공급하기 위해 우리 몸이 만들어낸 총 파워는 이보다 훨씬 클 것이라는 것은 쉽게 생각할 수 있습니다.  적어도 3~4 마력 정도는 전체적으로 소모된다고 가정합시다.  사실 이런 파워는 근육들이 만들어 내는 것입니다.  그래도 역도 선수의 파워에는 미치지 못하는 군요.

같은 종류의 파워같지만 조금만 생각하면 얼마나 다른지 알 수 있습니다.  역도선수의 파워는 대단히 무거운 물체를 짧은 거리를 이동시키면서 비교적 빠른 시간에 힘을 쏟아 붓습니다.  이때, 거의 대부분의 근육들이 한꺼번에 힘을 쓰게 됩니다.  그에 비해, 골퍼들의 파워는 어떻게 만들어질까요?  비교적 가벼운 물체를 상당히 긴 동선을 따라 움직이게 하는데 큰 근육은 힘을 강하게 주기 보다는 주로 지지하는 역할을 하고, 작은 근육들이 조종을 하는 형식으로 힘을 쓰게 됩니다.  이때, 대부분의 근육들이 동시에 힘을 쓰기 보다는 스윙의 순서에 따라 차례대로 힘을 전달하면서 움직이기 때문에 역도의 그것과는 매우 다릅니다.

골프 스윙의 파워를 만들어내는 기전을 다른 스포츠와 비교하면, 야구에서 피처가 빠른 공을 던질 때와 가장 유사합니다.  일단 하지의 강력하고 느린 근육들이 지지를 하면서 강한 파워를 내기 시작하고, 그 뒤를 이어 상체와 팔에 있는 빠른 근육들이 하체에서 발생한 파워를 최대한 이용하면서 스윙이나 공의 빠르기가 결정됩니다.

물리학적으로 봤을 때, 비거리를 많이 내려면 골프 클럽의 속도가 빠르거나 아니면 무게가 무거워도 됩니다.  그런데, 왜 무거운 클럽을 쓰는 것 보다는 스윙 속도를 올리는 것이 훨씬 중요할까요?  물론 무거운 클럽을 쓸 때 다루기가 어려워지기 때문이라고 답을 할 수도 있겠습니다만, 그보다 과학적으로 근본적인 이유가 있습니다.  클럽이 무거워지는 정도에 따라 공은 비례해서 멀리가지만, 클럽의 속도가 빨라지면 거리는 그 제곱에 비래하게 됩니다.  그러므로, 자기가 잘 다룰 수 있는 적당한 무게의 채를 가지고 클럽헤드의 스피드를 최대한 끌어올리는 것이 장타를 내는 비결입니다.


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하이컨셉
미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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골프는 과학적인 운동입니다.  골프를 치는 사람에 대해서는 운동을 하는 방식이나 부상과 같은 의학적인 부분도 있고, 스윙의 미캐닉과 같은 물리학적인 부분도 있습니다.  그 뿐인가요?  장비도 무척이나 과학적인 방법을 만들어지고 이용됩니다.  그렇기에, 골프만큼이나 과학 특히 물리학 이론의 지식이 유용한 스포츠도 그리 많지 않을 듯 합니다. 

골프 장비의 꽃은 무엇일까요?  아마도 많은 분들이 드라이버를 꼽으실 것 같습니다. 
그래서, 오늘은 골프 드라이버에 적용되는 몇 가지 기본적인 물리학 이론에 대해서 다루어볼까 합니다.



드라이버 클럽헤드의 물리학


클럽헤드의 무게는 당연하게도 거리를 나가게 하는데 중요한 요소입니다.  물리학적으로 클럽헤드의 무게는 무겁고, 클럽헤드의 스피드가 빠를수록 공은 멀리 나갈 수 밖에 없지요 ...   그런데, 불행하게도 클럽헤드의 무게가 무거우면 당연하게도 임팩트시 헤드 스피드는 떨어질 수 밖에 없기 때문에 자신에게 적절한 무게의 클럽헤드를 고르는 것은 매우 중요하다고 할 수 있습니다.

그렇기 때문에, 각 골퍼마다 자신에게 가장 최적화된 클럽헤드의 무게가 있기 마련인데, 보통의 경우는 200그램 전후가 된다고 합니다.  클럽이 공을 때릴 때 공의 속도는 다음의 공식으로 계산을 할 수 있습니다


V = U * (1 + e)/(1 + m/M)


여기에서 U는 클럽헤드의 속도, m은 공의 무게, M는 클럽헤드의 무게입니다.  e는 복구계수(coefficient of restitution)라고 하는데, 클럽에서 공으로 전달되는 운동에너지의 효율을 의미하는 것으로 0부터 1의 값을 가질 수 있습니다.  복구계수가 0이라면 공이 밀가루 반죽같아서 클럽으로 공을 칠 때 클럽에 공이 달라붙는 것과 같은 경우를 의미하며, 복구계수가 1이면 클럽헤드의 모든 운동에너지가 공으로 전달되는 완벽한 경우를 의미하며 실질적으로 있을 수 없는 값입니다.

지난 10~15년 정도의 골프과학의 발달로 클럽과 공을 제조하는 회사들의 첨단 기술로 인해 복구계수는 매우 증가하였습니다.  가장 커다란 기술의 진보는 얇은 메탈로 페이스를 만들고, 내부는 빈 클럽헤드를 만들어서 공을 때린 뒤에 약간 뒤로 페이스 면이 순간적으로 들어가도록 한 것입니다.  클럽을 만드는 기술과 관련하여 페이스가 더 탄력적으로 작동하도록 만드는 핵심 기술 중의 하나가 클럽페이스의 두께를 일정하게 하지 않고, 스윗스팟에서 멀어질수록 얇게 만드는 것입니다.  사실 이런 식으로 최대한의 물리학적인 첨단 기술을 동원한다면 복구계수는 계속적으로 증가를 할 수 있게 되는데, 너무나 빠른 기술의 진보를 막기 위해서 미국골프협회(USGA)에서는 공식적인 복구계수의 값의 상한선을 0.83으로 정하였습니다.  그런데, 복구계수의 값은 클럽헤드의 스피드가 증가할수록 감소하는 경향이 있습니다.  그러므로, 예를 들어 타이거 우즈의 헤드스피드가 일반 골퍼의 1.5배라 하더라도 공의 속도는 1.5배에 미치지 못하는 것이지요 ...

그럼 실제 예를 들어서 계산을 간단히 해 봅시다.  클럽헤드의 속도가 110마일(48.9 m/s)라고 가정하고, 클럽과 공에 따라 복구계수는 다르지만 일단 상한인 0.83으로 가정합니다.  그리고, 클럽헤드의 무게가 200그램, 공은 46그램 정도가 되므로, 앞선 공식을 이용하여 계산을 하면 (잘 맞았을 경우),

 
V = 110 * (1 + 0.83) / (1 + 46/200) = 110 * 1.49 = 164 mph


즉, 공의 스피드가 클럽헤드 스피드의 약 1.49배 정도가 됩니다.  여기에서 클럽의 운동에너지를 계산해보면,


KE = 0.5 * mv^2 = 0.5 * 0.2 * 48.9^2 = 239 Joules


정도가 됩니다.  최적화된 클럽스피드와 중량에 대한 연구는 AJ CochranJohn Stobbs가 저술한 “Search for the Perfect Swing”이라는 책자에서 많은 테스트를 통해서 소개가 된 바가 있는데, 일반인의 경우 공의 스피드는 클럽헤드의 중량이 210그램 일 때 최대가 된다고 합니다.  플레이어마다 스윙이 다르고 근력이 다르기 때문에 최적의 클럽헤드 무게는 다르겠지만, 전반적으로 200그램 전후가 되며, 실제로 최근에 만들어지는 대부분의 드라이버 헤드의 중량도 이 정도 입니다. 



로프트각과 클럽 페이스의 물리학


환경적인 조건을 제외하면 골프공의 비거리를 결정하는 3대 결정인자는 최초 백스핀, 클럽헤드의 스피드, 최초 발사각 입니다.   

기본적으로 클럽헤드 스피드와 관련해서는 클럽 자체가 해줄 수 있는 것이 거의 없습니다 (최적화된 헤드의 무게를 가진다고 가정할 경우).  그렇지만, 발사각과 백스핀에 관련해서는 클럽 자체가 여러 가지 영향을 미칩니다.  만약에 공기가 없다고 하면, 공의 백스핀은 비거리에 영향을 미치지 않게 되며, 이상적인 발사각은 45도가 될 것입니다.  그렇지만, 실제로는 공기가 있기 때문에 클럽으로 공을 때린 이후에 생기는 백스핀으로 인해 공이 떠오르는 효과를 가지게 됩니다. 

공에 가해진 스핀이 많으면 많을수록 더욱 높게 뜨게 되며, 공중에 있게 되는 시간이 길고, 최대 높이도 커져서 전체적으로 더 멀리갈 수 있게 됩니다.  그런데, 이러한 가정은 공기의 환경(기압, 온도, 습도 등)에 따라 약간의 변화가 있을 수 있습니다.

최초 발사각과 백스핀은 클럽의 로프트(loft)와 클럽의 무게중심(center of mass), 그리고 클럽이 공을 때릴 때의 진행방향(다운블로에서 맞거나, 클럽 밑면과 평행이 될 때 맞거나, 지나서 올라가는 과정에 맞거나)에 의해서 영향을 받게 됩니다.  클럽의 로프트 각은 클럽헤드 스피드에 따라서 가장 비거리를 많이 낼 수 있는 각도가 달라집니다.  일반적으로 헤드스피드가 빨라질수록 최적화된 로프트각은 작아지게 되는데, 일반적인 골퍼의 경우 10~12도 정도가 적당하다고 알려져 있습니다.   

드라이버의 무게중심은 낮고, 클럽헤드의 페이스보다 뒤에 있을수록 좋습니다.  이렇게 되면 로프트각을 크게하지 않아도 전반적으로 높은 발사각을 만들어낼 수 있습니다.  이런 이유로 최근에 만들어진 저중심 설계 드라이버들이 비교적 공을 쉽게 띄우는 것입니다.  무게중심을 클럽페이스 뒤쪽으로 설계하는 것은(최근의 드라이버 헤드를 보면 납작하면서도 뒤로 길게 디자인), 높은 발사각을 만드는 것과 함께, 공이 정확히 센터에 맞지 않았을 경우에 클럽이 좌우로 덜 꼬이도록하는 예방효과도 있습니다.

비거리를 최대한 내기 위해서는, 공이 클럽페이스의 “스윗스팟(sweet spot)”에 맞아야 합니다.  정확한 스윗스팟의 위치는 클럽의 무게중심에 따라 달라지는데, 공이 스윗스팟에서 먼 곳에 맞게 되면 클럽이 꼬일 가능성도 많아지고, 원하지 않는 사이드스핀도 발생하며, 최적화된 운동에너지의 전달도 이루어지지 않습니다.  실제 클럽헤드의 스윗스팟의 중심은 클럽페이스의 중앙부위가 아니라,  최근에 나오는 드라이버의 경우는 대부분 스윗스팟이 클럽 정중앙보다는 다소 높은 곳에 위치하도록 디자인이 되고 있습니다.  이런 이유로 높은 티를 꼽는 것이 전체적으로 스윙에 유리하다는 연구결과도 있습니다.


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