일상생활 속 신기한 제품들을 보면 놀랍기도 하면서 어떻게 이런 물건들을 만들까 신기하기도 합니다. 언젠가 아이가 숙제로 발명품 아이디어를 생각해 가야 한다면서 도움이 요청하더라고요. 이론적으로는 사람들이 불편해하는 부분이 무엇인지 생각해 보고 그 부분은 어떻게 하면 편리하게 만들 수 있을지 고민하는 것이 발명의 원리이지만 갑자기 생각해 보려니 쉽지가 않았습니다. 일상생활 속에 실제로 사용하는 물건들에 관심을 가지고 그 원리를 공부해 가는 과정에서 과학을 쉽게 받아들이고 흥미도 생기게 됩니다. 이렇게 과학과 기술에 다가가면 언젠가 나만의 발명품을 만들 수도 있겠죠. 오늘은 유체역학 원리 중 하나인 코안다 효과를 이용한 생활 속 발명품에 대해 알아보고자 합니다.
코안다 효과(Koanda Effect) 란
코안다 효과는 유체가 주변 다른 유체와 명백하게 구분되는 빠른 속도에서 곡면의 물체를 만나면 표면의 곡선을 따라 휘어지며 흐르게 되는 공기 역학적 현상을 말합니다. 루마니아 과학자 헨리 코안다(Henri Coanda)가 제트비행기가 추락할 때 비행기에서 발생한 흰색 연기가 비행기의 동체 표면을 따라 흐르는 것을 발견하였습니다.
베르누이의 원리
코안다 효과를 이해하려면 베르누이 원리를 알아야 합니다. 네덜란스 출신 스위스 수학자 베르누이는 유체의 속도가 증가하면 압력이 감소한다는 베르누이 원리를 발견했습니다.
비행기의 날개는 위쪽이 살짝 볼록한 눈물 모양의 형태를 띠고 있는데 날개 위쪽의 공기 밀도와 압력은 아래쪽에 비해 상대적으로 낮습니다. 이 같은 압력의 차이로 인해 양력이 생기며 비행기의 날개는 위로 들립니다. 이와 같은 베르누이 원리는 양력의 중요한 근본이지만 여기에 코안다 효과가 중요한 역할을 합니다.
베르누이의 원리와 코안다 효과
공기의 흐름은 날개와 공기가 흘러가는 방향사이 각도에 따라 달라지는데 이로 인해 공기를 휘어지면서 흐르게 됩니다.(코안다 효과) 즉, 공기가 날개에 부딪히면 튕겨 나가지 않고, 날개의 표면을 따라 흐르면서 아래쪽으로 끌어당기는 힘을 발생시키고 날개가 공기를 아래로 내려보내려는 힘이 만들어지면 그에 대한 반작용으로 공기는 날개를 위로 밀어 올리는 힘을 발생시키는 것입니다. 이것이 양력이 형성되는 원리입니다.
컵에서 컵으로 음료를 옮길 때 왜 꼭 흘리게 되나
컵에 담긴 음료를 다른 컵으로 옮길 때 컵의 옆면을 타고 음료가 흘러서 쏟아본 경험이 있을 겁니다. 아무리 잘 옮기려고 해 보아도 입구를 타고 흘러서 손에 묻거나 바닥에 흘리기 일쑤죠. 컵이든 주전자든 음료가 나오는 마지막 부분에는 곡률이 존재합니다. 곡률이 있는 고체 표면 위를 통해 액체가 나오면 액체의 위아래로 압력의 차이가 발생합니다. 그래서 액체가 흐른 방향 그대로 흐르는 것이 아니라 고체 표면 가까이에서는 곡면의 곡률을 따라 흐르게 됩니다. 이와 같은 현상을 코안다 효과라고 합니다. 이후에 고체와 액체가 상호작용하면서 모세관매니스커스를 형성하고 액체는 고체 표면에 달라붙어 흐르게 되는 것입니다.
싱크대 물줄기와 공
싱크대에 가서 물을 틉니다. 싱크대의 물줄기에 가느다란 실이 달린 둥근 공을 가져다 댑니다. 공을 물줄기가 밀어낼 것 같지만 오히려 물줄기는 공을 당겨서 공이 물줄기 쪽으로 달라붙는 것을 볼 수 있습니다.
코안다 효과의 이용
F1 레이싱
코안다 효과는 F1 레이싱 차량에도 사용됩니다. F1 경주용 자동차의 경우 다운포스를 높이고 공기역학적 성능을 향상하기 위해 자동차의 배기 시스템에 코안다 효과를 적용하는 경우가 많습니다.
F1 경주에서 다운포스는 자동차를 밀어내는 힘입니다. 트랙에 타이어를 내려 견인력과 접지력을 높입니다. 자동차의 다운포스가 많을수록 코너링 속도가 빨라지고 가속 및 제동 성능이 향상됩니다.
F1 팀은 코안다 효과를 활용하기 위해 차량의 배기 시스템을 설계하여 뜨거운 배기가스를 차량 후방으로 향하게 하고, 이 배기가스는 코안다 효과 램프라고 하는 곡면에 의해 위쪽으로 휘어지게 합니다. 이렇게 하면 차량 뒤쪽에 저압 영역이 생성되어 리어 윙을 통과하는 공기 흐름의 속도가 빨라져 더 많은 다운포스를 생성하게 됩니다.
다이슨 헤어드라이어
다이슨은 에어랩과 더불어 최근 출시한 슈퍼소닉 헤어드라이어에도 코안다 효과를 적용했습니다. 헤어 스타일리스트들이 롤 브러시를 사용해 모발의 모양을 잡는 동시에 드라이어의 공기 흐름을 이용해 잔머리를 안쪽으로 밀어내는 것을 구현할 수 있을지 집중적으로 연구한 결과 독특한 반원 모양을 가진 플라이어웨이 노즐을 개발했습니다.
다이슨 슈퍼소닉 헤어드라이어에 탑재된 강력한 V9 모터가 고속의 집중된 공기 흐름을 만들어내어, 코안다 효과가 적용된 플라이어웨이 노즐을 통해 강력한 바람을 분사하면 긴 머리들이 노즐의 표면을 타고 따라 올라와 짧은 잔머리를 밑으로 감춰줍니다.
다이슨 에어랩 스타일러도 슈퍼소닉 헤어드라이어와 같은 원리로 V9 모터에서 나오는 강력한 공기가 스타일링 배럴의 곡면을 따라 흐르며 주변 공기를 끌어들여 머리가 휘리릭 스스로 감기도록 만들어 줍니다.
무풍 에어컨
삼성전자는 사람들이 에어컨을 사용하는데 처음 10분은 강력한 바람을 원하지만 나머지는 바람이 없는 쾌적함만을 원한다는 것을 알고 무풍 에어컨 개발을 하였습니다. 여기에 강력한 냉방 효과를 만들기 위해서 코안다 효과를 적용했는데요, 상단에 위치한 3개의 하이패스 팬이 시원한 냉기를 뿜고 이 냉기를 서큘레이터 팬이 강한 제트기류에 태워서 빠르고 강력하게 밖으로 내보낼 수 있습니다. 이후 공기 순환에 가속도가 붙으면서 머리부터 발 끝까지 균일하게 사각지대 없이 바람을 내보낼 수 있게 되었다고 합니다.
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