바람을 거슬러 가는 삼각돛의 원리

[미루나무]

엔리케(1394~1460년)

세계사를 바꾼 항해 왕이라 불리는 포르투갈의 왕자 엔리케 당시는 로마 제국을 정복한 오스만투르크가 지중해를 장악하고 있어서 동서양 무역에 어려움을 겪고 있던 때였습니다. 그는 아프리카를 돌아 인도에 가서 값진 향료를 직접 사오기 위해 배 만드는 기술자와 항해 기술자, 천문·지리학자, 탐험가들을 모아 연구와 탐험을 거듭했습니다.

당시 포르투갈은 아프리카 서해안 곳곳을 탐험하는데 성공했지만 한계가 있었습니다. 왜냐하면 당시에는 사각형의 돛을 달고 바람의 힘으로 배가 움직였는데 원하는 방향으로 바람이 불지 않으면 배는 멈춰서야 했기 때문입니다. 그래서 아프리카를 돌아서 인도까지 가려면 1년 6개월이나 걸리기 일쑤였습니다.

이에 엔리케 왕자가 개발한 것이 삼각돛입니다. 삼각돛은 비행기가 나는 양력의 원리를 적용했는데, 삼각돛은 축(돛대)를 기준으로 회전시킬 수 있어서 바람의 방향에 따라 적절한 각도로 돛을 위치시키면 옆바람의 흐름이 돛에 압력을 주게 됩니다. 이때 바깥쪽(앞면)에 흐르는 바람은 안쪽(뒷면) 바람보다 빨라지게 되는데, 공기의 흐름이 빨라지면 압력이 낮아지기 때문에 돛은 바깥쪽으로 미는 힘을 받게 됩니다. 그 힘으로 배는 앞으로 나아갈 수 있는 것입니다

이전까지의 배는 바람이 순풍에 의해서만 움직이고 역풍일 경우에는 움직일 방법이 없었다.

하지만 이 삼각돛으로 인해 역풍. 즉 앞에서 오는 바람으로도 움직일 수 있는데, 방식은 이와 같다.

일단 위에서 비행기가 움직이는 방식에 대한 이해가 먼저 필요하다. 비행기 날개에서 공기는 2개의 방향으로 나눠지는데, 위와 아래로 나눠진뒤, 꼬리에서 다시 만난다.

"여기서 나눠질 때, 높이도 달라지지 않았고, 앞뒤로 외력이 가해지지 않았기에 압력도 같으니, 속도는 무조건 같아야 한다. 그리고 위 아래로 공기가 나눠져서 따로들어온다고 가정했을 때, 그렇게 되면 속도가 지속적으로 변경이 되기 때문에 일어날 수 없는일. 즉 공기가 위로가든 아래로 가든 동일한 시간내에 꼬리로 도달해야 한다."

그래서 위쪽에서 움직일 때 속도와 아래쪽에서 움직일 때 속도가 달라지게 되고, (여기서 포인트는 양 끝단이 같다는거지 중간은 다르다는 것이다.) 베르누이 정리에 의해 압력이 달라져서 (높이의 영향은 상대적으로 크지않기에 압력을 중점해서 본다.) 압력차로 비행기가 뜨게된다.

이런 압력의 차이가 바로 아래그림인 삼각돛에서도 적용이 된다.

편의를 위해 같은방향의 바람이지만 다른 색으로 표현했다. 파란색은 삼각돛의 안쪽으로, 녹색은 바깥쪽으로 움직인다. 그래서 같은지점에 도달할 때까지의 거리가 달라지고(화살표의 갯수로만 봐도 안쪽에서 흘러갈때 갯수가 적다.) 그래서 속도가 달라져서 압력차이에의해 배 전체가 압력을 받게되고 이 힘으로 배가 움직인다.

[출처] 공간이 만든 공간 -3|작성자 한국위의방랑자

영상에서는 가장 이상적인 바람을 받는 돛의 각도에 따라 변하는 텔테일즈의 움직임을 보여주고 있다. 풍상측으로 범주(Sailing)할 때는 텔테일즈들이 일자로 서며 순풍을 받을 때는 바깥쪽 텔테일즈가 위로 솟구치는 모습을 볼 수 있다.

요트에 관심이 있으면서도 선뜻 입문을 두려워하는 이들은 돛을 조정해서 배를 움직이게 한다는 것이 구체적으로 어떤 것인지 막연해하기 때문인 경우가 많다. 돛의 방향은 시트를 연결해서 당기고 풀면 방향을 바꿀 수 있다. 그런데 어떻게 바람에 맞춰야하는지부터 막막해하고 어느 정도의 경험을 갖추어도 간혹 낯선 바람에 당황해 하는 경우가 있다.
이럴 때 가장 의지할 수 있는 것이 텔테일즈다. 텔테일즈는 보통 돛의 양쪽면에 2~3세트씩 붙여놓은 나일론 끈같은 것이다. 보통 빨간색은 좌현(Port side)에 녹색은 우현(Starboard)쪽에 붙여 놓는데, 집세일은 앞쪽에 일렬로 나란히, 메인세일에는 바깥쪽 끝-리칭(Reaching)을 따라 일렬로 붙여놓는다.

▲ 돛을 지나는 바람의 흐름이 가장 이상적인 상태를 보여는 것이 돛에 붙여놓은 텔테일즈(Telltales)이다. 세일링의 원리가 이해가 안될 때는 텔테일즈가 일자가 되도록 돛을 조정해보면 된다.

강사나 지인으로부터 돛의 각도맞추는 법에 대해 설명을 받아도 잘 납득이 안 될 경우 바로 이 텔테일즈를 보면서 몸으로 이해하면 된다. 돛에 붙어 있는 텔테일즈가 수평으로 나란히 눕도록 돛을 당겼다 풀었다 맞춰주다보면 돛이 바람을 받아 움직이는 원리를 천천히 깨닫게 된다. 풍상측으로 범주할 때는 텔테일즈가 일자로 나란히 누울 때 바람을 제대로 받고 있는 것이고, 순풍을 받으며 풍하로 달릴 때 바깥쪽 텔테일즈는 위쪽을 향하기도 한다. 그리고 돛이 바람을 가장 효과적으로 받도록 각도를 맞추는 것을 트림(Trim)이라고 한다.

▲ 돛의 안쪽면과 바깥쪽면을 흐르는 바람의 압력차 그리고 돛과 돛 사이를 지날 때 빨라지는 바람의 속도가 배를 전진시킨다. 이때 돛과 바람의 각도에 따라 배가 앞으로 전진할 수 있는 양력의 세기가 결정된다.

돛이 쓸데없이 펄럭이지 않고, 고르게 퍼져 가장 바람을 잘 받도록 바람과 돛의 각도를 맞추는 것이 세일링의 기술인 것이다. 세일링 경험이 많은 이들은 바다의 물결이나 몸으로 느껴지는 바람방향만으로도 돛을 조정하지만 바람이 매우 미약하거나 급하게 변하는 경우 텔테일즈는 매우 중요한 역할을 한다.

▲ 텔테일즈는 지금 펼쳐놓은 돛 주변의 바람상태를 시각적으로 보여준다. 만약 꺾이거나 축쳐져있다면 돛이 바람을 제대로 받지 못함을 보여주고 당연히 배는 잘 움직이지 못한다.

텔테일즈의 원리는 간단하다. 용도와 형태에 따라 차이는 있지만 세일은 완전한 평면이 아니라 바람을 감싸쥘 수 있는 만곡선 형태이다. 그래서 한쪽에서 바람이 불 때 돛의 안쪽면과 바깥쪽 면을 흘러가는 바람의 속도 차이가 생긴다. 속도가 빠른 쪽은 압력이 커서 상대적으로 느린 쪽으로 이동하려는 양력이 발생하고 이것이 요트가 바람이 불어오는 방향으로도 전진이 가능한 원리이다. 텔테일즈는 돛이 이 각도를 가장 잘 맞추고 있는지를 보여주는 것이다. 만약 텔테일즈가 쳐져있거나 서로 엉뚱한 방향으로 펄럭이고 있다면 가장 바람을 잘 받을 수 있는 각도를 놓치고 있다는 것이다.