06평저선(ok)(111~120).hwp

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창숙 송
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1 연구논문현장과학교육 2(2) pp111~120 (2008 년 8 월 ) 평저선과첨저선의직진성능, 선회성능및풍랑에대한저항성능연구 이호태, 정호근 * 보성고등학교, 서울특별시 Study on the Dynamics of U-Shaped and V-Shaped Boats in Terms of Straight-Advancing and Circling Performances, and Restoring Performance against Irregular Waves Ho Tae Lee and Ho Keun Chung * Po Sung High School, Seoul , Korea 요약 본연구는임진왜란당시바다환경과배의특성을간파하여평저선의조선수군이첨저선의일본수군을맞아싸워어떻게승리를이룰수있었는지여러가지상황을배의모의설정실험을하여과학적으로분석해보았다. 조선수군전선 ( 평저선 ) 과일본수군전선 ( 첨저선 ) 의차이점은배의밑부분형태이다. 배밑면의경사각이 0 도인 U 자형의평저선과경사각이각각 20 도, 30 도, 40 도의세종류의 V 자형첨저선등모두네종류의실험선에대하여직진성능, 선회성능그리고불규칙한풍랑에대한복원성능등을연구하였다. 경사각이작은배일수록, 직진성능은떨어졌으나선회시이동변위와선회반경은더작게측정되어선회성능이향상됨을보였다. 하중에따른복원성능실험에서는경사각이작을수록복원력이우수한결과를보였으며, 불규칙한풍랑에대한저항성능은경사각 0 도의평저선이매우강함을보였다. 남해앞바다는먼바다에비하여해형이복잡하고, 암초가많으며, 수심이상대적으로얕아불규칙한풍랑등심한환경변화가있어서평저선이직진성능면에서는첨저선보다열세이나남해앞바다와같은변화가심한환경하에서는선회성능과풍랑저항성능이우수한평저선이첨저선보다더유리하여조선수군이일본수군을판이한형태의전선으로변화가심한바다환경을우세하게지배하여과학적승리를이루었음을알수있었다. 주제어 : 평저선, 첨저선, 직진성능, 선회성능, 저항성능 1) 서론 임진왜란및정유재란당시조선수군은일본수군에비해훨씬적은수의전선으로한산도대첩, 명랑대첩, 및노량해전등수많은전투에서승리를이루어냈다. 당시조선수군은남해앞바다의얕은수심, 불규칙한풍랑, 해류변화등의자연환경을활용하여, 보유하고있던전투선인평저선으로일본수군의첨저선함대를수차례침몰시키는쾌거를이루었다. 조선수군이일본수군의전선과는판이한형태의전선으로변화가 * 교신저자 : stepha27@paran.com 2008 년 6 월 17 일접수, 2008 년 7 월 18 일통과. 심한바다환경을우세하게지배하였다는것으로볼수있으며, 이는과학의승리라말할수있다. 남해앞바다내해는수심이얕고, 물길이거세며풍랑이불규칙하며잦다 ( 김훈, 2003). 이러한환경하에서전선의성능은전선의모양이나형태에크게의존된다. 조선수군의평저선은배의밑부분이 U자형, 일본수군의첨저선은 V자형으로상이한형태를가지고있다 ( 김경진, 2005). U자형은배밑면의경사각이 0도, V자형은경사각이일정한크기를갖는다고할수있다. 김경진 (2005) 의글에는첨저선이평저선에비해서속도가빠르다고알려져있으나, 경사각의차이에따른배의기동성능이체계적으로연구된적은없다. 이와같은경사각의차

현장과학교육 2(2) 이가배의직진력및성능에큰영향을미치리라예상된다. 본탐구에서는경사각이 0도인 U자형의평저선과경사각이다른세종류의 V자형의첨저선등모두네종류의실험선을물위에서직진성능, 선회성능그리고불규칙한풍랑에대한복원성능등을실험하여, 결과를비교, 분석함으로써배밑부분의경사각크기와전선의성능과의연관성을연구해보았다.

자른아크 릴판을모형도에맞게붙이어배의밑부분을 U자형모양으로하여경사각 0도인평저선을만들고, 경사각을 20, 30, 40 3 가지로하여 V자형모양의첨저선을만든다 ( 그림 1,2). 네종류의실험선각각의무게를쇠막대및쇠봉을배내부에장착하여모두 2240 g 으로동일하게맞춘다.

본탐구에서는폭, 길이, 높이및무게등의인자에의해성능차이를배제하기위하여평저선과세종류첨저선모두폭은 16 cm, 길이는 30 cm, 높이는 9 cm, 무게는 2240g 으로동일하게하였다. 길이 / 폭의비는 2.19로임진왜란당시의범선이나전선비율에맞추었다 ( 김재근, 1992). 전선형태에따른성능실험 1.

2 현장과학교육 2(2) 이가배의직진력및성능에큰영향을미치리라예상된다. 본탐구에서는경사각이 0도인 U자형의평저선과경사각이다른세종류의 V자형의첨저선등모두네종류의실험선을물위에서직진성능, 선회성능그리고불규칙한풍랑에대한복원성능등을실험하여, 결과를비교, 분석함으로써배밑부분의경사각크기와전선의성능과의연관성을연구해보았다. 연구절차및방법실험도구및평저선및첨저선실험선의제작도구 : 평저선, 세종류의첨저선, 수조, 100분의 1초정밀도의 stop-watch, 모터작동프로펠러, 마그네틱 stirrer 제작방법 : 경사각의크기가각각다른네종류의실험선의도면을작성하고도면에따라서아크릴판을자른다. 자른아크 릴판을모형도에맞게붙이어배의밑부분을 U자형모양으로하여경사각 0도인평저선을만들고, 경사각을 20, 30, 40 3 가지로하여 V자형모양의첨저선을만든다 ( 그림 1,2). 네종류의실험선각각의무게를쇠막대및쇠봉을배내부에장착하여모두 2240 g 으로동일하게맞춘다. 쇠막대및쇠봉은무게조절이외에도무게중심을안정적으로잡아주어경사각이큰배들이성능실험시물위에서균형있게움직일수있도록하는역할을한다. 평저선과첨저선의폭, 길이, 높이, 무게 : 배의성능은배밑부분의형태이외에도무게나배의치수등에의해달라질수있다 ( 大韓造船學會, 2000). 본탐구에서는폭, 길이, 높이및무게등의인자에의해성능차이를배제하기위하여평저선과세종류첨저선모두폭은 16 cm, 길이는 30 cm, 높이는 9 cm, 무게는 2240g 으로동일하게하였다. 길이 / 폭의비는 2.19로임진왜란당시의범선이나전선비율에맞추었다 ( 김재근, 1992). 전선형태에따른성능실험 1. 평저선과첨저선실험선의직진성능 1) 파도가없는잔잔한물에서의직진실험길이 250 cm, 폭 50 cm, 높이 40 cm의수조에물을깊이 15 cm 정도로채우고수조의맨왼쪽에배를놓는다. 배뒤쪽의상판양쪽에같은종류의모터로작동되는프로펠러를장착하고전원을연결시켜프로펠러가일으키는바람의반작용힘으로배를수조의길이방향으로 250 cm 거리를직진하도록한다 ( 그림 3). 배가 250 cm의수조를이동하는데걸리는시간 그림 1. 평저선모형선과실험선 그림 2. 첨저선모형선과실험선 그림 3. 잔잔한물 112

평저선과첨저선의직진성능, 선회성능및풍랑에대한저항성능연구 끝에서위에서아래방향으로물을 10 cm 정도 3회눌러서인공파도를발생시킨후, 배의전원을켜서직진하도록한다 (

인공파도 1) 방향타를이용한선회실험직진을위하여배뒤쪽의상판양쪽에모터로작동되는프로펠러를장착하고, 동시에선회운동을할수있도록배뒷부분밑에방향타를붙인다.

폭 50 cm, 두께 10 cm, 높이 30 cm의직육면체박스로수조의한쪽 2) 제자리에서의회전실험바람에의한회전실험 : 지름 80 cm의원형수조에물을 10 cm

3 평저선과첨저선의직진성능, 선회성능및풍랑에대한저항성능연구 끝에서위에서아래방향으로물을 10 cm 정도 3회눌러서인공파도를발생시킨후, 배의전원을켜서직진하도록한다 ( 그림 4,5). 배가 250 cm의수조를이동하는데걸리는시간을 10회측정하여평균값과표준편차를구한다. 2. 평저선과첨저선실험선의선회및회전성능 그림 4. 인공파도 1) 방향타를이용한선회실험직진을위하여배뒤쪽의상판양쪽에모터로작동되는프로펠러를장착하고, 동시에선회운동을할수있도록배뒷부분밑에방향타를붙인다. 배를잔잔한물위에띄우고모터전원을연결시키어배가선회운동을하게한다. 선회운동출발지점부터종착지점까지의직선거리를 3회측정하고평균값을구한다 ( 그림 6). 그림 5. 인공파도속직진 을 10회측정하여평균값과표준편차를구한다. 2) 인공파도속에서의직진실험길이 250 cm, 폭 50 cm, 높이 40 cm의수조에물을깊이 15 cm 정도로채우고수조의맨왼쪽에배를놓는다. 폭 50 cm, 두께 10 cm, 높이 30 cm의직육면체박스로수조의한쪽 2) 제자리에서의회전실험바람에의한회전실험 : 지름 80 cm의원형수조에물을 10 cm 깊이로채우고배를물위에올리어놓는다. 배를바람에의해회전시키기위해그림 7과같이선수와선미의양쪽끝에 2조의모터-프로펠러를방향을서로반대로하여장착시키고전원을연결해서작용-반작용원리를이용하여배에힘의모멘트를일으켜배를회전시킨다 ( 그림 7). 배가 360도 1회전하는데걸리는시간을첫번째회전부터열번째회전까지매회전마다측정한다. 물의와류에의한회전실험 : 지름 80cm의원형수조에물을 10cm 깊이로채우고마그네틱 bar를수조밑바닥중앙에놓고마그네틱 Stirrer 기구위에올려놓는다. 수조의물위에배를놓는다. 마그네틱 Stirrer 기구의전원을연결하고물의와류를일으킨다 ( 그림 8). 배가 360도 1회전하는데걸리는시간을첫번째회전부터열번째회전까지매회전마다측정한다. 네 그림 6. 배의선회실험 113

현장과학교육 2(2) 그림 7. 배의바람에회전실험 그림 8. 마그네틱 Stirrer 기구를이용한물의와류 종류의배모두동일한방법으로매회전시간을측정한다.

평저선과첨저선실험선의불규칙한풍랑에대한저항성 1) 복원력실험배를원형수조에띄우고평형이된후,

2) 불규칙한풍랑의모의물풍선실험길이 150 cm의수조에 15 cm 가량물을채우고배를수조의가운데에놓는다.

풍랑에의해배가좌초될때까지던진물풍선의횟수를센다 ( 그림 10). 실험결과및고찰배가물에뜨는현상은배의무게와부력이평형을이루기때문이다.

4 현장과학교육 2(2) 그림 7. 배의바람에회전실험 그림 8. 마그네틱 Stirrer 기구를이용한물의와류 종류의배모두동일한방법으로매회전시간을측정한다. 물의와류속에서바람에의한역회전실험 : 원형수조속에서와류를일으켜서세기가일정해진후, 곧바로모터-프로펠러가장착된배를와류속에놓고배를회전시킨다. 이때와류의회전방향과바람에의한회전방향은서로반대로한다. 배가 360도 1회전하는데걸리는시간을첫번째회전부터열번째회전까지매회전마다측정한다. 3. 평저선과첨저선실험선의불규칙한풍랑에대한저항성 1) 복원력실험배를원형수조에띄우고평형이된후, 배의상판한쪽옆가장자리에금속봉을올려놓으면서하중에따른배의기울기와전복직전의기울기각도및하중을잰다 ( 그림 9). 2) 불규칙한풍랑의모의물풍선실험길이 150 cm의수조에 15 cm 가량물을채우고배를수조의가운데에놓는다. 약 3 kg의물풍선을배에서약 3 cm 가량떨어진지점에 2m 높이로부터떨어뜨리어풍랑을만든다. 풍랑에의해배가좌초될때까지던진물풍선의횟수를센다 ( 그림 10). 실험결과및고찰배가물에뜨는현상은배의무게와부력이평형을이루기때문이다. 배의부력은물에잠긴체적에물의밀도를곱하여얻으며무게와동일하다. 배가물밑에잠겨있는깊이를나타내는홀수는무게 = 부력의평형이이루어지는지점에서결정된다. 배의길이가같으므로선수의침수표면적은경사각크기와관계없이네종류의배모두같다. 표 1에실험선으로사용된평저선과세종류첨저선의홀수, 선수침수표면적, 전체침수표면적, 선수의물과닿는길이를정리하였다. 1. 평저선과첨저선실험선의직진성능물에서의직진실험시동력원으로배터리로작동되는모터에소형프로펠러를연결한후전원을켜서프로펠러가일으키는바람의반작용힘을이용하였다. 프로펠러는공기를밀어서 그림 9. 하중에따른배의기울기 그림 10. 불규칙한풍랑의모의물풍선실험 114

5 평저선과첨저선의직진성능, 선회성능및풍랑에대한저항성능연구 표 1. 경사각크기가다른배의물에잠기는부분 배의종류 평저선 첨저선 제원 경사각 0 경사각 20 경사각 30 경사각 40 홀수 (cm) 선수침수표면적 (cm 2 ) 전체침수표면적 (cm 2 ) 선수의물과닿는길이 (cm) 바람을일으키고, 공기는반작용으로프로펠러를밀어낸다. 반작용의힘은모터-프로펠러와고정되어있는배가물의저항을뚫고직진하게한다. 배가정지상태에서등속도직진운동까지는뉴턴제2법칙인 F=ma (F는알짜힘, m은질량, a는가속도 ) 법칙과관성의법칙을따른다. 배의직진시저항은배와물과의마찰저항과공기에의한저항으로크게나눌수있으며공기저항은마찰저항에비해매우작은것으로알려졌다 ( 유병용, 2005). 따라서알짜힘 F는반작용힘과물과의마찰저항에의한힘의차이로볼수있으며, 이차이가배의가속도를갖게하고두힘이같아지면배는관성의법칙으로등속도직선운동을한다. 평저선과세종류의첨저선각각의무게가동일하고, 동력원인모터프로펠러의반작용에의한힘이모두동일하므로, 평저선과첨저선의직진성능은물의마찰저항에의해좌우된다. 수심이얕은남해앞바다에서는배의직진시배와물의접촉에의한마찰저항이주로작용할것이며, 수심이깊은남해먼바다는높은파고의파도가또다른저항으로작용될것이다 ( 유병용, 2005). 그림 11은파도가없는잔잔한물에서경사각 0도의평저선은평균 19.0초, 첨저선은경사각에따라서평균 16.0에서 17.6 초의시간이걸렸다. 가장빠른경사각 40도와경사각 0도의시간차이는약 3초정도를보였다. 파도를발생시킨물에서도평저선은평균 23.2초, 첨저선은경사각에따라서평균 17.0에서 21.4초의이동시간결과가나타났다. 가장빠른경사각 40 도와경사각 0도의시간차이는약 6.2초정도를보였다. 두가지직진성능실험모두에서경사각이클수록직진성능에서우수하였으며, 특히인공파도가있는경우직진성능차이는더커졌다. 결과로부터경사각 40도 > 경사각 30도 > 경사각 20도 > 경사각 0도의순으로직진성능이우수한것으로나타났다. 경사각 40 도 경사각 30 도 경사각 20 도 그림 11. 파도가없는잔잔한물과파도발생시킨물에서의직진시간 평저선 경사각 0도의평저선이속도가느린것은선수의홀수구간에서물을가르는마찰저항이가장크기때문이므로생각할수있다. 유병용 (2005) 에따르면마찰저항은물과배가닿는길이가클수록증가한다. 표 1에서보면평저선이나첨저선이나선수의침수표면적은동일하나평저선이첨저선에비해물에닿는길이가크다. 따라서마찰저항이커서직진성능이뒤떨어지는것으로생각된다. 배의폭과길이가같을때, 평저선이첨저선에비해물에닿는길이가항상크다는것을부록 1에수식으로정리하였다. 첨저선간에는물에닿는길이가거의차이가없으며, 이는배밑부분의경사각크기가클수록물을가르고직진하는데더효과적으로작용하는것으로여겨진다. 인공파도속에서경사각이작은배일수록파도를올라타는능력이더떨어짐이실험에서관찰되었다. 이로인하여평저선과첨저선의직진시간차이가인공파도가없는경우에비해더벌어지는것으로여겨진다. 첨저선사이에서는경사각이클수록이러한직진시간차이가더작아짐을보였으며이는경사각이클수록파도를올라타서직진하는능력이우수한것으로생각된다. 이러한실험결과해석으로부터임진왜란당시조선수군이남해먼바다가아닌앞바다에서교전을치렀던것은직진성능의차이를최소화하고자하는것으로생각된다. 먼바다일수록파고가높아평저선은직진성능에서매우불리함을겪게될수있기때문이다 ( 김경진, 2005; 유병용 2005). 2. 평저선과첨저선실험선의선회및회전성능 임진왜란당시조선수군의전선은돛이나노를이용하여직 115

6 현장과학교육 2(2) 진하고방향타를이용하여진행방향을바꾸면서학익진이나장사진등여러가지대형으로전개후, 정지상태거나또는제자리에서방향을바꿔가며화포나화살을발사하면서교전했음이추측된다 ( 김훈, 2003; 라이오넬카슨, 2001). 빠른속도로운항하는현대의전선과는달리당시의전선은교전을위하여배의방향선회및배의정지자세유지가매우중요하였을것이다. 남해앞바다에서는불규칙하게불어오는바람, 좁은해협과수많은암초들에의한와류발생등등여러가지형태의바다환경을짐작할수있다. 이러한불규칙한바람이나와류등은배를회전시키어정지자세의유지를어렵게할수있다. 경사각크기가다른네종류의배에대해방향선회능력과제자리에서의회전성능실험을각각하고그결과를배밑부분의경사각의크기와연관지어연구하였다. 1) 방향타를이용한선회성능직진하는배가선회하는원리는그림 12와같이방향타에작용하는힘과힘의모멘트 ( 또는회전력, 토크라고함 ) 에의해이루어진다. 방향타에의한힘 F는배에힘의모멘트 M(=F d, d는힘의작용점에서무게중심까지의수직거리 ) 을일으켜배를시계방향으로회전시키려한다. 또한힘 F는배를왼쪽으로밀어주려는작용을하여, 힘의모멘트 M과함께배의이동경로를배의방향과 θ 만큼각도차이가나게하면서선회시킨다 ( 유병용, 2005). 평저선과첨저선선미에방향타를부착하고선회성능을비교하였다. 완전한 1회전의선회운동을시킨후, 선회반경을측정, 비교하여야했으나물위에서방향타이외의정밀한제어장치가없어서선회궤적의정확한측정이어렵고, 또한정확한원형의선회운동을보이지않아출발지점과종착지점사이의이동변위를측정하여각실험선의선회성능을비교하고그결과를표 2에나타내었다. 이동변위는경사각 40도 > 경사각 30 도 > 경사각 20도 > 경사각 0도순서로컸으며, 이러한순서는 표 2. 경사각크기가다른실험선의이동변위 배의종류 평저선 첨저선 횟수 경사각0 경사각 20 경사각 30 경사각 cm 115cm 136cm 148cm 2 103cm 108cm 130cm 138cm 3 110cm 120cm 128cm 140cm 평균 102cm 114cm 131cm 142cm 직진성능과마찬가지경향이다. 이동변위가크다는것은그만큼선회하기어렵다고해석할수있으므로결과에서경사각 0 도의평저선의선회성능이가장우수한것으로나타났다. 실험선들의평면상에서의선회궤적은경사각 0도와 20도의배가약 80% 정도, 경사각 30도와 40도의배가약 60% 정도의원궤적을보였으며, 경사각이작은배일수록더적은이동변위가관찰되었으며이를그림 13에개략도로나타내었다. 여기서화살표는배의매순간의진행경로를의미한다. 2) 제자리에서의회전성능배의회전은선회와마찬가지로힘의모멘트에의해이루어지며, 힘의모멘트는 M = F d (M은모멘트, F는힘, d는힘의작용점에서무게중심까지의수직거리 ) 로표시된다. 본실험에서는네종류의배모두폭과길이를동일하게하였고, 회전축에서힘까지의거리및반작용힘을같게하였으므로원리에의해네종류의배모두동일한힘의모멘트를갖고회전을한다. 이러한힘의모멘트는 M = I α (M은힘의모멘트, I는관성모멘트, α는각가속도 ) 로또한나타낼수있다. 각가속도가크기위해서는, 즉빨리회전하기위해서는관성모멘트가작아야한다. 관성모멘트는질량및질량의분포에의해달라진다 ( 유병용, 2005). 실험에사용된배는질량은같으나배밑부분의경사각이각각달라서질량분포가다르며배의침수표면적에서차이가난다. 이런차이가회전시간에미치는영향을알아보았다. 이동경로배의방향 M 중심 θ 중심 평저선 첨저선 d 이동변위 F 방향타 출발지점 종착지점 종착지점 그림 12. 방향타에의한배의선회 그림 13. 선회궤적의개략도 116

7 평저선과첨저선의직진성능, 선회성능및풍랑에대한저항성능연구 바람에의한회전성능 : 그림 14는모터-프로펠러작용-반작용의힘으로배에힘의모멘트를일으켜배를제자리에서회전시킨결과를보여준다. 모두첫번째회전하는데걸리는시간이가장길고회전이계속진행됨에따라회전에걸리는시간은거의일정해짐을알수있다. 회전이점차로빨라지면서일정해지는것은처음에는바람에의해서배가물의정지마찰저항을극복하고회전하다가, 이회전힘이다시물을회전시키어물에회전관성을일으켜거의일정한값의구간의회전시간을보이는것같다. 회전시간이일정해지는구간을비교해보면경사각 20도와 30도의배가엇비슷하며다음이경사각 40도, 경사각 0도의배순으로빠르기가나타났다. 침수표면적의크기가경사각 0도 > 경사각 40도 > 경사각 20도 > 경사각 30도의순서인것 ( 표 1) 으로보아평저선은홀수는작으나침수표면적이가장커서회전시물에의한마찰저항을크게받는것으로생각된다. 첨저선간에는홀수가클수록더느린이유는힘의모멘트를일으키는동일한힘이경사각이클수록힘과마주보는방향으로더많은면적을밀어내기때문인것으로생각된다. 결국평저선과첨저선의회전시간은침수표면적과경사각크기에따른물과의마찰저항에의해서결정된다고생각된다. 하지만평저선이회전속도가느리다는것은그만큼바람에의한움직임이작아져서자세제어가상대적으로용이함으로여겨진다. 물의와류에의한회전성능 : 그림 15는물의와류의힘으로배에힘의모멘트를일으켜배를제자리에서회전시킨결과를보여준다. 모두첫번째회전하는데걸리는시간이가장길고회전이계속진행됨에따라회전에걸리는시간은거의일정해짐을보인다. 그림 14. 바람에의한회전시간 그림 15. 물의와류에의한회전시간 회전시간이일정해지는구간을비교해보면경사각 40도와 30도의배가엇비슷하며다음이경사각 20도, 경사각 0도순으로빠르기가나타났다. 평저선이가장느린이유는배측면의면적이가장작아서와류의힘을덜받기때문이다. 경사각 20 도의경우도마찬가지이유인것같다마찬가지로평저선이회전속도가느리다는것은그만큼와류에의한움직임이작아져서자세제어가상대적으로용이하다고생각할수있다. 물의와류속에서바람에의한회전성능 : 그림 16은물의와류방향과반대로배에힘의모멘트를일으켜배를제자리에서회전시킨결과를보여준다. 배의회전방향은와류와역방향으로이루어졌다. 결국바람에의한배의회전이홀수구간에서는물의와류방향을바꿔놓은것으로생각할수있다. 이경우도마찬가지로평저선과첨저선모두첫번째회전하는데걸리는시간이가장길고회전이계속진행됨에따라회전에걸리는시간은거의일정해짐을보인다. 회전시간이일정해지는구간을비교해보면경사각 20도와 30도의배가엇비슷하며다음이경사각 40도, 경사각 0도의순서로빠르게나타났다. 첨저선에서는홀수가작은순서대로빨랐으며, 홀수가가장작은평저선이회전시간이상대적으로느리게나타났다. 와류가없이바람만에의한선회성능결과와유사한경향의결과가나타났다. 여기서도마찬가지로평저선이회전속도가느리다는것은그만큼와류와바람이혼재된상태에서도움직임이상대적으로크지않음을의미함으로해석되어진다. 결국, 바람이든, 와류든, 또는이들이혼재된상태이든평저선의움직임은외부힘에의하여움직임이느림을알수있으며이는제자리에서의자세유지가상대적으로용이하다고볼수있다. 117

8 현장과학교육 2(2) w w G B G B 그림 18. 무게중심 (G) 과부력중심 (B) 의상호위치와복원력과의관계 그림 16. 물의와류속에서바람에의한회전시간 3. 평저선과첨저선실험선의불규칙한풍랑에대한저항성임진왜란시일본의첨저선이조선수군의포탄공격에명중되어서침몰된것이외에도배근처에떨어진포탄에의해서생긴풍랑으로인해좌초되는경우가실제로있었다 ( 김재근, 1996). 포탄에의한풍랑이외에도앞바다에서형성되는불규칙한풍랑이배의측면에부딪치는경우와배길이방향으로양쪽에장착된화포의발사시반작용힘이배에작용하는경우에좌우의흔들림이심해지고복원능력이떨어지면서전선의교전능력이크게저하됐을것이다. 실험 3에서는경사각크기에따른배들의복원성능차이를비교하고이들의차이가불규칙한풍랑에대한복원성능에미치는영향을탐구하였다. 1) 복원성능 하중에따른배의기울임정도를보여주는실험결과 ( 그림 17) 를보면동일한하중에서경사각이큰배일수록기울임이커진다. 경사각이클수록더적은하중으로전복되며, 그때의기울기각도또한작다 ( 유병용, 2005). 평저선이전복이되기위해서는큰하중이필요하며, 배가기우는최대각도또한첨저선에비해훨씬크다. 즉평저선은첨저선에비해하중을가하여도기울기가작고, 기울임이커지더라도원래의수평상태로가고자하는복원력이더크기때문으로생각된다. 배의기울기와복원력의관계는무게중심 (G) 과부력의중심 (B) 간에상대적위치변화로설명할수있다 ( 그림 18). 만일하중 (W) 를가하는경우배가오른쪽으로기울어진다. 이때배의부력중심이무게중심오른쪽에위치한다면배는반시계방향으로힘의모멘트가작용하여기울어진상태에서평형을이루다가하중을제거하면원래의수평상태로되돌아간다. 왼쪽에위치한다면시계방향으로힘의모멘트가작용하여배는곧바로전복된다. 또한경사각이클수록조금만기울어도부력중심이이동하여배가전복되기쉽다. 전복직전의최대하중과최대기울기를비교해보면평저선 > 경사각 20도 > 경사각 30도 > 경사각 40도의순서로복원성능이우수한것으로여겨진다. 그림 17. 하중에따른배의기울기변화 2) 불규칙한풍랑의모의물풍선경사각크기가다른배들의복원력의차이는불규칙한풍랑의모의물풍선실험결과를뒷받침해준다. 표 3은약 3 kg의물풍선을배에서 3 cm 가량떨어진지점에 2 m 높이로부터던지어풍랑을만든후풍랑에의한배의좌초여부를실험한결과이다. 물풍선의사용은수면과충돌한후물이튀어오르면서배의측면과부딪치게하는데용이하다. 풍랑에의해실험선이좌초될때까지의던진횟수를보면평저선이풍랑에대한저항력이매우강함을보인다. 직진성능이나선회성능보다모의풍랑에대한복원성능은실 118

9 평저선과첨저선의직진성능, 선회성능및풍랑에대한저항성능연구 표 3. 경사각크기가다른배의불규칙한풍랑에대한복원성능 배종류 평저선 첨저선 횟수 경사각0 경사각 20 경사각 30 경사각 x x x x x x 6 - x x x 총합 0회 1회 3회 5회 (- : 변화없음, x : 좌초 ) 험선간에큰차이를보인다. 평저선은 U자형의배밑부분때문에무게중심이안정되어있다. 이로인하여복원력이뛰어나풍랑이일어도좌우로흔들림의크기가작아안정성을계속유지하는반면에, 첨저선의경우, 밑부분이 V자모양이기때문에불안정한무게중심구조를갖는다. 따라서흔들림이심하고복원력이떨어져풍랑에좌초되기쉽다. 경사각이큰첨저선일수록더욱심하다. 이러한결과는그림 17의실험결과에서보여준평저선과첨저선의복원력차이에근본적인원인이있는것으로여겨진다. 임진왜란당시일본수군의첨저선은조선수군과는달리배의측면에화포를장착하지못했다. 첨저선의복원성능이떨어져서발사시반작용힘이작용하는화포설치에많은제약이있었기때문이다 ( 김재근, 1996). 결론 남해내해의환경을유사하게꾸민모의조건하에서배밑부분의경사각 0도의 U자형평저선과경사각 20도, 30도, 40도의 V자형첨저선모형선에대해직진성능, 선회성능, 불규칙한풍랑에대한복원성능 3가지성능면을실험한결과다음과같은결론을얻을수있었다. 첫째, 경사각이작은배일수록잔잔한물및인공파도물속모두에서직진성능이떨어졌으며, 인공파도속에서는떨어지는정도가더커졌다. 이는 U자형의밑부분모양이 V자형에비해선수의침수표면적에서물과닿는길이가길어물의마찰저항을더많이받기때문으로생각된다. 물에닿는길이가비슷한첨저선간에는경사각이클수록직진시간이짧았으며, 이는경 사각이클수록물을가르는능력이더뛰어나기때문이라여겨진다. 둘째, 선회성능실험에서경사각이작은배일수록이동변위가작은것으로측정되었고, 선회반경또한작은것으로관찰되었다. 이와같은결과는경사각이작은배일수록선회성능이더우수함을의미한다. 제자리에서의회전실험결과평저선이첨저선에비해외부의힘에의해더회전하기어려웠으며, 이는평저선이정지상태의자세제어유지가더용이하다고여겨진다. 셋째, 하중에따른복원성능실험에서경사각 0도 > 경사각 20도 > 경사각 30도 > 경사각 40도의순서로복원력이우수한결과를보였으며, 불규칙한풍랑에대한복원성능은경사각 0 도의평저선이매우강함을보였다. U자형의평저선이훨씬안정된무게중심과부력중심의상호위치를가짐으로인해흔들린이후에도복원력이뛰어난것으로여겨진다. 본탐구를통하여선회성능과풍랑에대한복원성능은경사각 0도의평저선이, 직진성능은경사각이큰첨저선이더뛰어난것으로나타났다. 남해앞바다는먼바다에비하여해형이복잡하고, 암초가많으며, 수심이상대적으로얕은특성을지니고있다. 이러한바다에서는불규칙한풍랑이자주일어난다. 복원력이상대적으로뒤떨어진첨저선은제대로균형을잡기힘들다. 평저선이직진성능면에서는첨저선보다열세라할지라도, 남해앞바다와같은변화가심한환경하에서는선회성능과풍랑저항성능이우수한평저선이첨저선보다더유리하였을것이다. 즉바다환경과배의특성을간파하여일본을맞아싸워얻어낸이승리를우리는과학의승리라고도부를수있을것이다. ABSTRACT In this paper, the historic victory of Korea naval forces over Japan naval forces by making use of sea environments and characteristics of boats during Japanese invasion of Korea was investigated scientifically through simulation experiments on dynamics of U-shaped (Korea warship) and V-shaped (Japan warship) boats. The big difference in warships between Korea and Japan was the shape of boat's bottom. For the investigation of the scientific victory, dynamics of U-shaped and V-shaped boats were examined in terms of straight-advancing and circling performances, and restoring performance against irregular waves. The bottom slope of U-shaped boat was 0 and those of V-shaped boats were varied with 20, 30 and 40, respectively. The 119

10 현장과학교육 2(2) straight-advancing performance of boats was improved as the bottom slope was increased. The circling performance of the boats was improved as the bottom slope was decreased. The restoring capability of boats against irregular waves was observed to increase substantially by reducing the bottom slope. From the above experiments, it was concluded that U-shaped boat was better in circling and restoring performances, while V-shaped boat was superior in the straight-advancing performance. The southern near- sea is rocky, shallow and irregularly windy, compared to the open sea. The U-shaped boat has an advantage over the V-shaped boat under such sea environments. It can be said that Korea naval forces had a better understanding of sea environments and boat's dynamics, thereby winning a scientific victory over Japan naval forces. Key words: U-shaped boat, V-shaped boat, straight-advancing, circling performance, restoring performance against irregular waves 참고문헌 김경진 (2005) 임진왜란. 자음과모음. 김재근 (1992) 거북선. 정우사. 김재근 (1996) 우리의배. 서울대학교출판부. 김훈 (2003) 칼의노래. 생각의나무. 大韓造船學會 (2000) 船舶艤裝. 東明社. 라이오넬카슨 (2001) 고대의배와항해이야기. 가람기획. 유병용 (2005) 과학으로만드는배. 지성사. 수면 S 1 S 2 2a 평저선 c b 부록 평저선과첨저선의물에닿는길이비교 c a a S S h 첨저선 평저선과첨저선의무게가같으므로침수된체적은같다. 배의길이가같으므로물에잠긴선수의면적은같다. S 1 + S 2 = S 1 + S 2 여기서 S 2 = 2ab, S 2 = ah, S 1 = S 1 이므로 2ab = ah h= 2b 물에닿는부분의길이는평저선경우, l = 2a+2b+2c 첨저선경우, l = 2 (a 2 + h 2 ) + 2c = 2 (a 2 + 4b 2 ) + 2c L = l - 2c = 2a + 2b, L = l -2c = 2 (a 2 + 4b 2 ) 이라하면 L 2 = 4a 2 + 8ab + 4b 2 L 2 = 4a b 2 L 2 - L 2 = 12b 2-8ab = 4b(3b - 2a) 표 1에서, b < 4 cm, 2a =16 cm 이므로 3b-2a < 0 L 2 < L 2 즉, 평저선의물에닿는길이가첨저선에비해길다. 120

(Microsoft Word - 6.SG_5156\260\374\274\272\270\360\270\340\306\256_\301\244\271\320\261\336_.doc)

$(Microsoft Word - 6.SG_5156\260\374\274\272\270\360\270\340\306\256_\301\244\271\320\261\336_.doc)$ 관성모멘트측정장치 ( 정밀급 ) ( Experimental Apparatus for Moment of nertia ) SG-556 SEGYE 세계과학 본사 : 서울특별시송파구가락동 4 덕봉 B/D 4층 Tel: 0) 430-0050 Fax: 0) 430-0049 nternet: http://www.sgs.co.kr E-mail: segye@sgs.co.kr