요트의 추진동력은 바람과 돛과 킬!

<이 칼럼은 책과 유튜브, 여러 인터넷을 통해서 배운 내용을 제 개인적으로 정리해본 것이라서, 일부 내용은 과학적으로 부정확할 수 있습니다. 하지만, 요트를 이해하는 데 매우 중요한 부분이므로, 꼭 읽어주셨으면 합니다.>
 
삼각돛의 요트가 스포츠의 하나로 최초로 기록된 것은 1600년대 초라고 한다. 물론 그 전에도 삼각돛의 배는 아랍의 다우선 등 여러 곳에서 찾을 수 있고, 대항해시대에도 삼각돛과 사각돛이 같이 사용되기는 했지만, 삼각돛이 역풍을 거슬러 올라갈 수 있는 것에 대한 연구가 본격적으로 시작된 것도 불과 400년이 되지 않았다는 얘기다. 
삼각돛의 요트가 특별한 것은 무엇때문일까? 바로 바람을 거슬러서 갈 수 있다는 것이다. 사각돛의 경우는 바람을 받아주기 때문에 뒷바람에는 아주 탁월한 추진력을 제공하지만, 바람이 옆으로 빠져나갈 수 없어서, 옆바람이나 앞바람에서는 힘을 받지 못한다. 하지만, 삼각돛은 바람이 빠져나갈 수 있는 공간을 주기 때문에 옆바람이나, 특히 앞바람에서도 추진력을 제공해준다. 
 

Points of Sails

그 원리에 대해서 이야기하기 전에, 어떻게 삼각돛이 나오게 되었는 지부터 추정해보도록 하자. 사각돛을 단 배가 뒷바람을 받으면 배가 앞으로 간다는 것은 이해하기 쉽다. 옛날 사람들은 배를 앞으로 보내기 위해 돛이나 노를 사용했다. 노는 어느 방향으로든 추진력을 제공하지만, 사람이 끊임없이 저어야 하기 때문에 그 한계가 분명했다. 돛을 사용하는 배는 바람만 있으면 추진력이 생겼지만, 옆바람의 경우는 돛을 틀어줘야 했고, 그러다보니, 바람의 힘을 모두 사용하지 못했다. 특히 옆바람을 받으면, 배가 바람 반대방향(풍하)로 기울기 때문에 사람들은 배의 균형을 위해서 바람이 오는 방향(풍상) 쪽으로 옮겨 앉아야 했을 것이다. 하지만, 옆바람의 압력을 너무 크게 받으면, 배가 풍하 쪽으로 크게 기울어서, 바람을 안는 사각돚보다는 살짝 바람을 비켜서 받을 수 있는 삼각돛이 더 안전하였을 것이다. 
 
그런데, 바람이 90도 옆바람일 때 삼각돛을 45도 정도로 틀어서 옆바람을 받으면서, 배가 기우는 것에 대응해서 균형을 잡도록 배의 무게중심을 풍상 쪽으로 옮기거나(사람이나 물건을 배치) 아랫쪽에 배치했더니(킬 부착 등), 배가 균형을 찾으면서 앞쪽으로 추진력을 받게 되는 것을 발견하게 됐다. 이것이 요트의 첫번째 발견이다.
 
그렇게 속도가 나다보면, 자연히 원래 바람(True Wind, 참바람)의 방향은 90도보다 더 앞 쪽에서 부는 걸로 느끼게 된다. 이렇게 참바람에 배의 속도를 감안해서 체감하는 바람을 Apparent Wind, 겉바람이라고 부른다. 참바람이 90도일 때, 겉바람은 배의 속도가 빨라짐에 따라 80도, 70도가 될 것이다. 사람들은 약간의 맞바람에도 배가 전진할 수 있다는 것을 알게 됐고, 그래서 점점 더 각도를 풍상 쪽으로 돌려서 최대한 갈 수 있는 각도를 찾아내기 시작했고 거기에 맞는 돛의 각도를 찾아내기 시작했다. 그렇게 해서 경험적으로 얻어진 최대 한도가 풍상으로부터 45도 정도였고, 그 이상 풍상 쪽으로 돌리면 돛이 바람을 받지 못하는 것을  알게 됐다. 이렇게 풍상을 기준으로 좌우 45도씩 90도 각도의 범위를 갈 수 없는 각도, 노-고 존(No-go zone)이라고 부른다. 그리고, 90도에서 바람을 받는 것은 배 옆(Beam, 빔)에 바람이 닿는다(reach, 리치)고 해서 빔 리치(Beam reach)라고 했다. 
 
너무 많이 배우면 머리가 아프겠지만, 조금만 더 노력해보자. 빔 리치에서 풍상 쪽으로 더 가깝게(close) 진행하는 것은 클로즈 리치(Close reach), 풍하 쪽으로 더 넓게(broad) 진행하는 것은 브로드 리치(Broad reach)라고 부른다. 이제 하나만 더 외우면 된다. 클로즈 리치에서 더 풍상 쪽으로 가깝게 해서 최대한 풍상 쪽으로 진행하는 것은 선체(hauled)를 더 붙인다는  의미에서 클로즈 홀드(Close-hauled)라고 한다. 뒷바람을 받고 가는 것은 각도에 따라 브로드 런, 런(Run), 데드 런(또는 트레이닝 런) 등으로 부른다. 뒷바람은 안외워도 될 정도로 그냥 이해하기 쉽다. 이와 같이 바람과 배의 진행방향과의 관계를 돛의 배치, points of sails라고 한다. 
 

Points of Sails. 바람의 방향과 돛의 배치.

 

귀납적 연구 - 뉴튼과 베르누이

여기까지는 옛날 뱃사람들이 17세기까지 배를 운용하면서 경험적으로 터득한 지식이다. 이제 공은 과학자들에게 넘어간다. 맞바람에서 요트는 어떻게 전진하게 되는가? 여러 과학자들이 있겠지만, 가장 주목할 만한 과학자가 뉴턴과 베르누이이다. 
뉴턴의 제3법칙, 작용-반작용의 원리를 빌자면, 바람이 돛을 통해서 방향이 바뀔 때, 돛은 바람과 반대방향으로 추진력을 얻게 된다는 것이다. 순풍에서는 돛이 최대한 바람을 받도록 수평상태를 유지해주면 되지만, 역풍에서는 바람이 살짝 스치도록 틀어서, 바람이 빠져나가면서 그 반대방향으로 돛을 밀어주게 된다. 
베르누이의 원리는 물이나 공기같은 유체가 흐를 때 통로가 좁아지더라도 그 에너지는 유지가 된다는 법칙이다. 유체가 속도가 빨라지면 압력이 낮아진다는 원리인데, 클로즈홀드 각도에서 돛이 볼록한 상태가 되도록 만들어주면, 볼록한 부분을 지나는 공기의 흐름이 빨라지면서 그 쪽의 압력이 낮아져 돛을 당기게 된다는 것이다.  
https://www.youtube.com/watch?v=PqeMkvEjY6E 

 
 

요트의 추력

하지만 이렇게 요트의 돛에서 양력이 발생하는 것만으로는 배가 앞으로 나가는 것을 모두 설명할 수 없다. 요트에는 한 가지 비밀이 더 숨어있다. 바로 바닥의 킬이다. 공을 양쪽에서 누르면 압력이 주어지는 방향의 합으로 작용하게 된다. 요트에서 양쪽의 압력이란 바람에 의한 횡압력과 킬의 무게에 따른 중력으로, 이 두 가지 힘이 서로 반대방향으로 요트에 작용하면서, 요트가 앞으로 나가게 되는 것이다. 역풍에서 요트를 조작해보면, 처음에는 배가 풍하 쪽으로 기우뚱하면 넘어갔다가 킬의 무게때문에 다시 수평으로 돌아오게 되고, 이것이 반복되면서 배가 앞으로 전진하는 것을 볼 수 있다. 
 
https://www.youtube.com/watch?v=FCcKeOmYHFY 

요트는 돛과 킬의 두 개의 날개로 간다.

 

역풍의 역설

이런 요트의 매력에 대해서 하나 더 나가보자. 뒷바람, 즉 순풍의 경우에는 배가 앞으로 전진할수록 배에 가해지는 상대적인 압력은 줄어든다. 뒤에서 10의 힘으로 밀어서, 앞으로 10의 힘으로 전진하게 되면, 상대적인 압력은 0이 된다는 얘기다. 하지만 앞바람, 즉 역풍의 경우에는 전혀 다른 얘기가 된다. 앞에서 10의 힘으로 밀 때 앞으로 5의 힘으로 전진하게 되면, 상대적인 압력은 15가 된다. 역풍이 불 때 클로스 홀드로 진행하게 되면, 아무리 작은 바람이라도 배의 속도에 비례하여 점점 더 큰 힘으로 바뀐다는 것이다. 즉, 순풍에서는 바람의 속도가 배 속도의 한계가 되지만, 역풍에서는 이론적으로는 배 속도의 한계가 없다. 다만 배가 얼마까지 바람의 힘을 버텨서 넘어가지 않느냐가 관건이 된다. 그리고 넘어가지 않게 해주는 것이 바로 요트 헐 밑에 위치한 킬이다.  
 
그렇다면, 좋은 요트, 균형잡힌 요트란 무엇인가? 배가 바다에 나가면 킬의 무게는 바꿀 수가 없다. 선장과 선원은 돛의 방향과 모양만을 바꿀 수 있다. 킬에 비해서 돛이 받는 횡압력이 너무 크다면 배는 균형을 잃고 넘어가려고 할 것이고, 돛이 받는 횡압력이 너무 작다면 배는 추진력을 잃어버리고 정지하게 될 것이다. 따라서, 킬은 배의 크기와 모양에 맞는 모양과 무게를 갖추는 것이 필요하다. 돛은 집세일, 메인세일 등 여러 장의 세일을 달 수 있는 데, 바람의 세기와 방향, 그리고 킬의 무게를 감안하여 어떤 세일을 어떻게 달 것이냐를 잘 결정해야 배의 추진력을 최대로 만들 수 있다.  

---

추진력(Driving Force)

세일링 보트는 돛의 굽어진 표면을 따라 흐르는 바람에서 추진동력을 얻는다. 이는 비행기의 날개가 비행기를 뜨게 하는 것과 매우 비슷하다. 돛은 비행기의 날개처럼 바람에 대한 특정한 각도에서 가장 잘 작동한다. 따라서 효율적인 세일링에는 지속적인 돛의 조정(트리밍)을 통해 돛을 바람에 정확한 각도로 맞추는 것이 필요하다. 만약 돛이 너무 멀리 있다면 깃발처럼 펄럭거리기만 할 뿐 아무런 추진력을 내지 못한다. 반대로 너무 당겨져 있다면 돛의 표면에 대한 공기의 흐름은 부서져서 매우 느리게 날려고 하는 비행기와 같이 돛은 정지하게 된다.
 

횡방향 압력(Sideways Force)

돛에 의해 생성된 힘은 보트가 바람과 완벽히 같은 방향을 가는 경우가 아니면 보트를 앞쪽으로 밀기만 하는 것은 아니다. 다른 경우라면 돛에 의해 생성된 전체 힘에는 보트를 옆으로 밀려고 하는 횡방향 압력도 존재한다. 횡방향 압력의 세기는 보트의 세일링 포인트에 달려있다. 횡방향 압력은 보트가 클로즈홀드일 때 가장 크고, 바람의 방향에서 벗어날수록 줄어든다. 모든 세일링 포인트에서, 만일 돛이 너무 당겨져서 정지하게 되면 추진력은 급격히 떨어지는 대신 횡방향 압력은 증가한다. 보트는 속도가 느려지면서 더 기울게 된다.
 

킬의 역할

킬, 센터보드, 대거보드는 횡방향 압력에 저항하기 위해 사용된다. 킬의 면적은 클로즈홀드에서 생기는 횡방향 압력에 저항하는 데 충분해야 한다. 딩기의 경우, 킬의 면적은 센터보드를 접거나 대거보드를 들어올려서 조절할 수 있지만, 킬보트의 경우는 수중에 킬이 고정되어 있다.
킬이 횡방향 압력에 버텨준다고 해도, 바람의 횡압력이 완전히 사라지지는 않는 데, 특히 바람을 거슬러 갈 때는 보트가 살짝 풍하 쪽으로 밀리게 된다. 조정하는 방향과 실제로 진행하는 방향의 차이를 풍하밀림, 영어로는 리웨이(leeway)라고 부른다.
 

리웨이 최소화하기

센터보드나 대거보드가 장착된 경우, 클로즈홀드일 때는 최대한 내리도록 하고, 클로즈 리치일 경우는 3/4, 빔 리치일 경우에는 1/2, 브로드 리치일 경우에는 1/4 정도만 내리도록 한다.
한편, 배의 속도가 느려지면 킬이나 센터보드가 최대한의 효율을 발휘하지 못해 리웨이가 더 커지므로, 리웨이를 최소화하려면 속도를 유지해야 한다. 클로즈 홀드로 항해할때는 리웨이에 대응하기 위해 바람 방향으로 너무 틀게 되면 배의 속도가 느려지면서 오히려 리웨이가 더 커지므로 주의해야 한다.
 

기울어지는 힘

돛에 생성되는 횡방향 압력이 수선(Waterline)과 좀 떨어진 위쪽에 가해지므로, 배는 기울게 된다. 킬이 횡방향 압력에 저항하기는 하지만, 수중에서 작용하므로 킬에서 얻어진 횡방향에 대한 저항은 기울기를 더 높인다. 이러한 기울기 압력은 딩기의 경우는 선원의 몸무게로, 킬보트의 경우에는 킬의 무게로 상쇄해야 한다.
 

올바른 각도(Trim)

돛의 올바른 트림을 알려면 러프(돛의 앞쪽 면)가 펄럭일 때까지 두었다가 흔들림이 멈출 때까지 잡아당긴다. 주기적으로 반복해서 트림을 점검해야 한다.
 

참바람(True wind)과 겉바람(Apparent wind)

참바람은 정지한 상태에서 느끼는 바람이다. 항해를 하면 겉보기 바람을 느끼게 되는 데, 참바람에다 배가 움직이면서 만들어진 바람이 더해진 조합이다. 움직이는 배에서 풍향계가 보여주는 바람이 겉보기 바람이고 뭍의 풍향계는 참바람을 보여준다.
 

보너스영상!

MIT에서 알려주는 요트에 작용하는 물리법칙입니다. 영어를 이해할 수 있고 물리학에 관심있는 분들은 보시기를 추천드립니다. 
https://www.youtube.com/watch?v=YAeSFwzRETY