낮은 곳에서 떨어진 공을 맞을 땐 별로 아프지 않지만, 높은 곳에서 떨어진 공을 맞으면 머리에 큰 혹이 나곤 합니다. 이는 높은 곳에서 떨어진 물체의 속도가 더 빨라 충격이 큰 건데요. 하지만 하늘에서 떨어지는 빗방울은 맞아도 그리 아프지 않습니다. □가 빗방울의 속도를 증가 못하게 방해하기 때문입니다. □는 무엇일까요?

□는 바로 공기입니다. 공기는 떨어지는 빗방울을 방해해, 일정 수준 이상의 속도를 내기 어렵게 만듭니다. 빗방울이 떨어질 때, 중력이 작용합니다. 중력이 빗방울의 속도를 계속 증가시킵니다. 이 때 공기가 이를 저지하는데, 그 힘이 바로 항력입니다. 공기 속에서 빠르게 움직이는 물체 앞에는 공기가 쌓여서 모이게 되는데요. 이렇게 쌓인 공기는 움직이는 물체의 이동을 방해하기 시작합니다. 속도가 빨라질수록 항력도 더 크게 작용합니다. 이 때문에 속도가 일정 수준에 도달하면 중력과 항력이 같은 크기가 됩니다. 이때 두 힘은 서로 반대 방향으로 작용해 힘의 합이 0이 되는데요. 그러면 더 이상 빗방울에 힘이 작용하지 않아 속도는 변하지 않게 됩니다. 더 늘지 않고 일정해진 속도를 ‘종단속도’ 라고 합니다. 공기의 종단속도는 7~36km/h로 매우 느립니다. 이는 물방울의 무게가 매우 작기 때문인데요. 무게는 종단속도에 많은 영향을 줍니다. 무게가 무거울수록 중력을 상쇄해야 하는 항력이 많이 필요해서 항력이 모이는 시간 동안 속도가 점점 증가하기 때문입니다. 예를 들어 몸무게가 70kg인 사람의 경우 종단속도가 200km/h에 달합니다. 사람이 물방울보다 높은 속도로 떨어지기 때문에 크게 다치게 되는 거죠.

우리 주변에는 빗방울 외에도 공기저항에 영향을 받는 것들이 많은데요. 대표적으로 비행기는 공기저항을 감소시키는 형태로 만들어집니다. 비행기는 빠른 속도로 날아다니기 때문에 공기저항을 많이 받는데요. 이를 해소하기 위해 비행기를 유선형 모양으로 만듭니다. 박동훈(항공우주공학) 교수는 “비행기는 공기저항을 낮추기 위해 물고기의 모양처럼 유선형으로 설계됐다”라고 말했습니다. 반대로 높은 공기저항을 이용하는 것도 있습니다. 바로 낙하산입니다. 낙하산은 아치형이나 반구형으로 공기저항을 높여 사람이 떨어지는 속도를 줄입니다. 이때 낙하산의 종단속도는 18km/h로 사람이 안전하게  착륙을 할 수 있도록 만듭니다. 이렇게 우리 일상 속에 공기저항이 다양하게 영향을 미치다니, 정말 신기하네요.

 

저작권자 © 채널PNU 무단전재 및 재배포 금지