2008년 11월 23일에 있었던 물리학 학회에서 애리조나 주립대학교(ASU)의 박사과정 학생인 클린턴 스미스(Clinton Smith)와 지도교수인 카일 스콰이어스(Kyle Squires)는 골프공의 유체역학적인 모델링과 관련한 새로운 계산법과 수퍼컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 방법을 발표를 하였습니다.  기본적으로 골프공이 멀리 날아가게 하는데 있어서 가장 중요한 요소는 공기동역학적 끌림(aerodynamic drag) 현상을 줄이는 것입니다. 

골프공의 딤플이 있어야 멀리 날아가는 이유도 이 현상과 관계가 있습니다.  일단 골프공이 날아가기 시작하면 골프공은 주변의 공기들에 의한 공기동역학적인 힘과 중력의 영향을 받게 됩니다.  중력은 언제나 일정하기 때문에, 공기동역학적 힘에 의해서 거리가 결정됩니다.  이를 다른 말로는 끌림력(drag force)라고도 하는데, 이 힘이 커지면 공이 멀리 날아가지를 못합니다.  딤플의 역할은 이러한 끌림력을 줄이고, 공이 더 멀리 날아가도록 하는데 실험에 의하면 딤플이 있는 공은 딤플이 없는 공에 비해 끌림력이 절반에 불과하다고 합니다.

USGA에서 골프공의 크기와 중량은 정해놓고 규제를 하지만, 딤플에 대한 규제는 없습니다.  그러므로, 딤플의 모양과 패턴에 의해 우수한 골프공이 결정이 된다고 할 수 있습니다.  그 중에서도 가장 중요한 부분인 어떻게 하면 끌림력을 최소화할 수 있는지 여부 입니다.

지금까지는 딤플의 디자인 자체는 과학이라기 보다는 예술에 가까웠습니다.  많은 회사들이 다양한 디자인을 시도했고, 실험 과정을 거쳐서 신제품을 발표하고는 했습니다.  그런데, 이런 슈퍼컴퓨터를 이용한 수학적 모델의 시뮬레이션 연구가 성공한다면 훨씬 과학적인 골프공의 딤플 디자인이 나올 수 있을 것으로 기대됩니다.

끌림력이라는 것은 공이 공기를 가르면서 날아갈 때 공의 뒷쪽에 저압현상이 나타나면서 공이 앞으로 잘 날아가지 못하고 떨어지도록 하는 힘으로, 딤플이 있으면 골프공을 둘러싸고 있는 공기에 전체적인 얇은 와류의 층을 만들게 되면서 저압이 걸리는 와류층이 공에서 비교적 떨어진 후방에 와류를 통한 저압지대를 만들기 때문에, 압뒤의 압력차와 끌림력이 줄어들어 멀리 날아가게 됩니다. 

골프클럽으로 공을 칠 때에는 공에 백스핀이 먹기 때문에, 이로인한 매그너스 힘효과(Magnus force effect)에 의해 공의 윗쪽에 저압이 걸려 공이 일단 솟아 오르는 효과를 가집니다.  그런데, 공이 좀 날아가다보면 공의 뒷편에 와류가 발생하면서 저압이 걸리면서 반대방향의 마찰에 의한 끌림력이 작용하는 것입니다.  딤플이 있는 공이 딤플이 전혀 없는 공보다는 무려 2배 가까이 날아갑니다.

딤플의 수와 크기, 모양 등이 미치는 영향에 대한 연구가 사실 골프공 회사들의 명운을 걸고 있다고 해도 과언이 아닙니다.  현재 대부분의 골프공은 300-500개 정도의 원형 딤플을 가지고 있으며, 딤플의 깊이는 0.01인치 정도가 많습니다.  그런데, 이 깊이를 단지 0.001인치만 변경해도 공이 다르게 날아간다고 합니다.  모양의 경우 전통적인 원형 딤플을 만들 경우 최대 공 전체의 86%까지 딤플이 채울 수 있다고 합니다.  딤플 패턴이 더 많은 표면적을 차지하기 위한 디자인으로 유명한 공이 캘러웨이의 HX 시리즈 입니다.  캘러웨이는 육각형 모양의 딤플을 사용해서, 보다 밀도가 높은 딤플을 만들었습니다.  이러한 딤플 패턴과 모양, 수가 어떤 공이 가장 최적화되어 있는지에 대한 연구는 골프공을 제조하는 업체들에게 있어서 가장 중요한 경쟁력이 되며, 골프과학과 관련한 최고의 경쟁이 이루어지고 있는 분야이기도 합니다.


참고자료:

http://esciencenews.com/articles/2008/11/23/the.physics.golf.balls
http://www.improvegolfswings.com/golf/golf-balls-the-science-behind-the-dimples.htm
http://spoonfeedin.blogspot.com/2008/11/science-fore-here-comes-ultimate-golf.html

신고

WRITTEN BY
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.

받은 트랙백이 없고 ,


골프라는 스포츠는 정말 과학적인 요소가 많이 관여하는 스포츠 입니다.  그 중에서도 클럽과 골프공이 이러한 과학의 정수를 보여주고 있는 분야입니다.  골프공이 날아가는 동역학은 물리학의 정수라고 말할 수 있을 정도로 정교합니다.

골프를 스코틀랜드에서 처음 시작했을 때, 대부분의 플레이어들은 이렇게 복잡한 과학적인 요인에 대해서 무시를 했습니다.  처음 만들어진 클럽과 공은 모두 목재로 만들어 졌지요 ...  1618년이 되어서 깃털을 이용한 골프공이 등장했는데, 거위의 털을 모아서 젖었을 때 압력을 가하여 수제로 공으로 만들었습니다.  이렇게 어렵게 만들다보니 당시에는 골프 클럽보다 공이 더 비쌌다고 합니다.  그래서
, 깃털공(feathery ball)은 귀족들과 같이 일부 특권층들의 전유물이 되었습니다.


클럽보다 가격이 비쌌던 깃털 공


이 공의 겉은 가죽이고 내부는 거위나 닭의 깃털로 압력을 가해서 만들어 집니다.  바느질한 사이로 작은 구멍들이 있어서, 내부에 눌려진 젖은 깃털들이 조금씩 마를 수가 있는데, 깃털들이 마르면서 동일한 중량이지만 좀더 부피가 늘어나지만 반대로 가죽은 마르면서 수축하기 때문에 공이 굉장히 팽팽해 집니다.  마지막으로 바깥을 몇 겹의 페인트로 칠해서 코팅을 하고 나면 완성이 됩니다. 

가장 잘 만드는 사람이 하루에 3~4개 정도 만들 수 있었더니 무척이나 고된 작업이었던 것 같습니다.  거기에 내구성도 그다지 좋지 못했다고 하네요.  한 라운드에 공 몇개 잃어버리고 나면 꽤 큰 금전적 손실이 있었기 때문에, 골프를 귀족들의 스포츠로 만드는데 큰 공헌을 한 것이 바로 이 공입니다.  얼마전에 경매에서 오리지널 깃털공이 $14,300 달러에 낙찰이 되었다고 할 정도로, 골프를 좋아하는 사람들에게는 필수적인 수집 아이템이라고 합니다.

다음으로 나온 공이 거터볼(Gutta ball)이라는 것으로 1848년 로버트 아담스 패터슨(Robert Adams Paterson)이라는 사람이 처음 만든 것으로 알려지고 있습니다.  이름이 의미하는 것과 같이 거터-퍼차(gutta-percha)라는 것을 압축해서 만든 공인데요, 이 물질은 말레이지아에서 많이 발견되는 고무나무와 유사한 거터나무의 수액을 굳혀서 만든 것입니다.  가격이 싸면서도 비교적 튼튼하고, 물에 젖지 않았기 때문에 새로운 주류로 자리잡게 됩니다.  그런데, 거리는 생각보다 멀리 나가지 않았는데, 그 이유로 거터볼의 표면이 너무 매끈하다는 것이 지적이 되면서 향후 나오게 될 골프공의 딤플과 관련된 중요성이 부각이 됩니다. 

그 다음부터는 거터볼을 제작하면서, 끝이 날카로운 해머를 써서 의도적으로 표면에 상처를 만들기 시작합니다.  그러자, 비거리도 향상되었고, 플레이도 더욱 쉬워졌습니다.  제작방식도 조금씩 변했는데, 처음에는 해머로 굴리면서 만들다 보니 표면의 패턴이 일정하지 못했는데, 딤플의 중요성이 부각되면서 점차 철로 만든 주물에 일정한 패턴을 넣어서 만드는 방식으로 변하기 시작하였습니다.  


이베이에서 작년 11월에 경매에 나와 96달러에 낙찰된, 거터볼. 
초기 모델과 달리 약간의 패턴이 있는 것이 보이죠?



참고자료:
http://www.thedesignshop.com/history.htm
http://www.golfballmuseum.co.uk/
http://everything2.com/e2node/Feathery%2520golf%2520ball

신고

WRITTEN BY
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.

받은 트랙백이 없고 ,