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- 유럽 선수권 대회 공에는 소위 "커넥티드 볼 기술"이 탑재 돼
- 축구공은 초당 약 20~25미터의 속도로 최대한 천천히 날아야 공중에서 거의 회전하지 않아.
- 평균적으로 예상 궤적의 편차는 약 30m거리에서 볼 직경 정도

축구공 궤적에 관한 물리학적 탐구

페널티킥이 얼마나 잘 들어가는지, 장거리 슛에서 공이 얼마나 멀리 날아가는지는 축구선수의 기술에만 달려 있는 것이 아니다. 공도 제 역할을 해야 한다. 축구공의 가장 작은 특징조차도 공중에서 얼마나 안정적인지, 얼마나 잘 회전하는지, 그리고 얼마나 멀리 날아가는지에 영향을 미친다. 이것이 바로 스포츠 제조업체의 전체 부서가 최적의 축구공을 디자인하기 위해 노력하는 이유다.  

▲ 표면이 매우 매끄러운 축구공은 고속에서만 난기류를 생성한다

작은 홈(Dimple)과 난기류

축구공이 얼마나 잘 날아가는지는 주로 비행 중에 표면에 난기류가 발생하는지와 어떤 난기류가 형성되는지에 따라 달라진다. 솔기의 수, 모양, 깊이 그리고 표면 품질은 축구공의 비행 움직임에 큰 영향을 미친다. 축구 공은 비행 중에 공 주변의 기류를 변경하기 때문에 때로는 난기류를 더 빨리, 때로는 나중에 유발한다.

모펫 필드(Moffet Field)에 있는 NASA Ames 연구 센터의 라비 메타(Rabi Mehta)는 "공 표면 근처에 얇은 경계층이 형성된다. 그 상태와 움직임이 공의 성능에 매우 중요하다"고 설명했다. 표면이 매우 매끄러운 축구공은 고속에서만 난기류를 생성한다. 긍정적으로 들리지만, 반드시 그런 것은 아니다. 부드러운 흐름에서 격동적인 흐름으로 전환하는 동안 축구공은 종종 예측할 수 없는 방향으로 행동한다.

2010년 월드컵 공은 시속 약 80km의 속도에서 이러한 변화를 겪었다. 이는 정확히 축구 경기에서 고전적인 슛의 범위에 해당한다. 따라서 많은 선수가 월드컵 도중과 이후에 이 공이 너무 "변덕스럽다"고 비난했다. 2014년 월드컵 당시 공 제조사들은 이런 문제에 대책을 강구했다. 월드컵 공 '브라주카'는 솔기가 더 깊고 표면에 작은 움푹 들어간 곳이 있어 시속 50km 정도에서 난류가 발생했다. 이로 인해 키커의 궤적이 훨씬 더 예측 가능해졌다.

2024 EM(유럽컵) 공은 네트워크로 연결돼 있다.

2024년 유럽 선수권 대회용 공은 비행 중 안정성도 고려해 설계됐다. 들어간 부분과 가느다란 홈이 20개 섹션으로 구성된다. 공의 크기는 공이 안정적인 비행 위치를 가지도록 조정되지만 너무 빨리 속도가 느려지지는 않는다. 흐름 패턴에 따라 볼 뒤에 더 크고 작은 낮은 압력 구역이 형성된다. 압력차가 클수록 공의 속도가 느려지고 슛의 범위가 줄어든다.

▲ 현재 유럽 축구 선수권 대회의 공 복제품이다. 표면 구조와 내부 작동 방식은 집중적인 연구와 첨단과학을 바탕으로 이루어졌다. © Bildersindtoll/ 공개 도메인(CC0)

축구공의 내부 작동 방식은 2022년부터 새로워졌다. 유럽 선수권 대회 공에는 소위 "커넥티드 볼 기술"이 탑재됐다. 내부에는 공의 위치를 ​​실시간으로 파악하고 전송할 수 있는 전자 장치가 있다. 이는 관성 센서와 광대역 무선 센서를 통해 보장된다. 무선센서는 경기장 주위에 분산된 12~24개의 안테나에 초당 최대 400회 신호를 보낸다.

컴퓨터는 이러한 신호와 삼각 측량을 사용해 몇 밀리초 내에 축구공이 어디에 있는지, 얼마나 빨리 날아가는지, 얼마나 오랫동안 이동했는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 이는 심판이 공이 골 안에 있는지, 오프사이드에서 플레이되었는지 또는 선수가 손으로 공을 터치했는지를 결정하는 데 도움이 된다.

펄럭이는 볼의 예술

아무리 좋은 축구공이라도 올바르게 차지 않으면 아무 소용이 없다. 따라서 수많은 과학자가 이에 관해 연구하고 있는 것은 놀라운 일이 아니다. 특히 최근 크리스티안 호날두, 가레스 베일 등 정상급 선수들에 힘입어 악명 높은 슛 기술이 바로 플러터볼이다. 축구공은 처음에는 예상대로 공중을 나는 것처럼 보였지만 갑자기 예측할 수 없게 방향을 바꾼다. 이러한 공은 골키퍼가 거의 막을 수 없다.

공을 찰 때 축구공의 불규칙한 움직임은 어떻게 발생할까?

파리에 있는 École Polytechnique의 물리학자들이 이를 더 자세히 조사했다. 그들은 이 목적을 위해 일종의 '특수 기계 축구 선수'를 만들었다. 이 장치는 엔드 플레이트가 있는 강철 샤프트가 다리를 모방한 장치다. 그런 다음 속도, 각도 및 공과의 접촉을 구체적으로 조정하여 최적의 흔들리는 공을 만들 수 있다. 슛은 고속 카메라와 센서가 공의 움직임을 기록하는 풍동에서 촬영된다.

슛의 속도와 회전이 결정적인 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 구체적으로, 축구공은 초당 약 20~25미터의 속도로 최대한 천천히 날아야 공중에서 거의 회전하지 않는다. Baptiste Texier와 그의 동료들이 발견한 것처럼 마찰과 난기류의 상호 작용으로 인해 양력이 변해 방향이 변경된다. 평균적으로 예상 궤적의 편차는 약 30m거리에서 볼 직경 정도이며, 이에 따라 더 먼 장거리 슛의 경우 편차는 더 커진다. (끝)

 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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