무회전 축구공의 유체역학적 기초연구 (Fundamental Aerodynamics of Non-spinning Soccer Ball)

서지정보

· 발행기관 : 국민체육진흥공단 한국스포츠과학원
· 수록지 정보 : 체육과학연구 / 21권 / 3호 / 1325 ~ 1336페이지
· 저자명 : 홍성찬, 아사히 타케시

초록

최근 축구 경기에 있어서 무회전 슛, 혹은 무회전 킥에 대한 관심이 증가되고 있다. 무회전 킥으로 유명한 호나우도 선수(레알 마드리드 소속)의 프리킥은 공이 비행시에 무회전(Non-spinning), 혹은 저회전(Slow-spinning)으로 날아가는 공을 말하는데, 이 공은 비행하면서 불규칙하게 흔들리는 것이 특징으로 골키퍼가 날아오는 공의 궤도를 예측하기가 무척이나 어렵다고 한다. 이와 같이 무회전 축구공이 비행하면서 불규칙하게 좌우로 흔들리거나, 비행도중 예상치 못한 지점에서 갑자기 떨어지는 현상을 보이는 것을 소위, ‘너클 이펙트(Knuckle effect)’ 또는 ‘너클볼(Knuckleball)’이라고 부르는데, 너클볼이 불규칙하게 흔들리거나 떨어지는 원인에 대해서는 아직까지 정확하게 밝혀지진 않았다. 또한 너클볼이 되는 경우에 있어서 축구공이 날아가는 동안 축구공 주위를 흐르는 공기의 흐름에 관한 연구 및 공의 비행궤도 등과 같은 유체역학적 연구는 매우 부족한 실정이다. 이에 이 연구는 고속 비디오카메라와 발연물질(사염화티타늄)을 이용하여 너클볼 현상을 유발하는 원인에 대해 축구공 주위의 공기 흐름을 중심으로 분석하였다. 무회전으로 비행하면서 너클볼 현상을 보이는 축구공을 대상으로 하여 공이 인팩트되어 날아가는 출발 시점을 검토한 결과, 공이 발에서 떨어져 출발되는 순간 축구공 후류(後流)의 공기 소용돌이(vortex)가 도넛과 같은 형태로 나타났으며, 그 중앙부분에서 제트 형태의 분류(噴流)가 관찰되었다. 또한 이와 같은 너클볼이 비행할 때의 공 후류에서 생성되는 대규모 소용돌이 구조(Large scale undulation)의 진동주파수는 약 3Hz로 나타났다. 이 소용돌이 진동 주파수는 소용돌이 양력주파수와 서로 연동하는 경향이 강하게 나타났으며, 두 주파수는 통계적으로 높은 상관을 보였다(r=0.74, p<0.01). 이와 같은 결과를 토대로, 너클볼이 비행 시 불규칙하게 흔들리는 현상은 축구공 후류에서 생성된 공기 소용돌이와 관계가 깊은 것으로 판단된다.

영어초록

The flight trajectory of a non-spinning or slow-spinning balls may fluctuate in unpredictable ways as similar as C. Ronaldo's FK in Football. Such anomalous horizontal shaking or rapid falling is ascribed to a phenomenon called the 'knuckle effect'. However, the aerodynamic properties and boundary-layer dynamics of a ball during the knuckle effect are not well understood. The purpose of this study was to analyze the characteristics of vortex dynamics of the knuckle effect ball using high-speed video cameras and titanium tetrachloride. In the case of the knuckleball, the starting vortex structure as a doughnut shape. After balls that were under the influence of the knuckle effect were airborne, large-scale undulations of the vortex street were observed. Furthermore, the knuckleball was observed to have an average vortex street frequency of approximately 3 Hz. A comparison of the frequency of the vortex lift force (fLV) and the frequency of the vortex street (fVS) indicated that these frequencies tended to act in unison with a high statistical correlation (r=0.74, p<0.01). Therefore, the undulation presented in the large scale vortex of the wake flow in knuckleball can be considered as a basic mechanism that generates irregular forces applied to the balls.

참고자료

· 없음