[스포츠와 물리학] 화살 뒤에 깃털은 왜 달았을까? 양궁 속의 물리학

화살깃, 화살의 진동 억제..정확도 상승
자이로 효과, 회전하는 물체의 안정성 설명

[MHN스포츠 권성준 기자] 사극 영화를 보면 모든 화살은 뒤 꽁지에 깃털을 달고 있다. 현대에도 소재만 바뀌었을 뿐 모양은 동일하게 만들어 놓았다.

이 깃털 모양 부분을 화살깃이라 하는데 대체 왜 만드는 것일까? 정답은 화살에 숨겨져있는 물리학에 있다.

양궁의 최대 목적은 정확한 위치에 화살을 빠르고 멀리 보내고자 하는 데 있다. 애초에 활과 화살 자체가 그러한 목적을 염두에 둔 구조를 가지고 있다.

활시위를 당길 때 사용한 팔의 힘이 활 시위를 놓을 때 화살에 전달하는 구조를 가지고 있다. 화살은 활시위의 탄성 에너지를 고스란히 담고 날아간다.

그렇다면 활시위를 최대한 많이 당겨서 탄성 에너지를 최대로 만들어야 화살의 운동 속도가 빨라질 것이다. 하지만 그렇게 할 경우 문제가 있다.

화살이 날아가는 모습을 초고속 카메라로 찍으면 직선으로 올곧게 날아가는 것이 아니라 마치 물고기처럼 좌우로 흔들리면서 날아가는 것을 알 수 있다.

이러한 이유가 발생하는 원인은 활시위가 활에 탄성력을 가할 때 운동 방향이 아니라 약간 비스듬한 각도로 주기 때문에 일어나는 현상이다.

힘이 비스듬하게 가해지기 때문에 화살은 꼿꼿한 모양에서 약간 변형되는데 날아가는 과정에서는 화살 자체의 탄성으로 인해 원래 모양으로 돌아오려 한다.

기타줄을 튕기면 실의 탄성으로 떨리는 모습을 생각하면 된다. 화살도 날아가면서 기타줄처럼 진동한다는 의미다. 문제는 이 진동이 화살의 궤도를 바꿔버린다.

실제로 양궁에서 과녁을 맞히기 위해선 중앙 지점보다 약간 옆을 노리고 쏴야 한다고 한다. 이를 '궁수의 역설'이라는 이름으로도 부른다.

화살의 진동은 막을 수 없지만 이를 적절하게 잡아줄 장치가 필요했고 그래서 화살깃이 발명되었다. 실제로 화살깃이 없는 화살과 있는 화살은 명중률에서 큰 차이가 발생한다고 한다.

화살깃이 달린 화살은 날아가면서 화살깃으로 인해 더 큰 공기 저항을 받는다. 공기 저항을 이용해 속도는 다소 포기할지라도 더 정확하게 쏘는 것을 노리는 것이다.

만약 날아가던 화살이 진동에 의해 운동 방향에서 벗어나게 되면 화살깃의 공기 저항이 벗어난 방향으로 가지 못하도록 억제해 준다.

화살깃이 화살의 흔들림을 억제해 주는 것이 중요한 이유가 또 있다. 화살의 안정적인 회전을 만들어 주는 역할이다. 화살은 날아가면서 좌우로 진동도 하는 한편 화살축을 중심으로 회전하면서 날아간다.

화살의 진동이 심하면 회전 운동에도 영향을 미치고 안정적인 회전을 할 수 없게 만들어준다. 그래서 화살깃은 진동을 억제하여 회전을 안정적으로 만들어주는 역할도 한다.

회전이 화살의 궤적에 중요한 이유는 자이로 효과에 있다. 자이로 효과란 회전하는 물체가 회전축을 일정하게 유지하려는 성질을 의미한다.

회전하는 물체는 회전 운동하려는 상태를 계속 유지하려는 성질을 가지고 있다. 이 성질을 회전 관성이라고 부른다. 이 성질은 물체가 어떤 축을 중심으로 회전하는 가에 의존한다.

안정적인 회전을 하는 물체는 외부에서 힘을 가하지 않는 한 회전축을 일정하게 유지하는데 대표적으로 팽이가 그렇다. 팽이를 돌리면 지표면에 수직 방향으로 회전축을 유지하려 한다.

만약 회전 속도가 약해지거나 옆에서 충격 등을 가해서 회전 운동을 변화시키면 회전축이 흔들리게 되고 결국 회전 운동이 무너지게 된다.

화살의 경우에 대입해보면 화살 자체의 진동으로 인해 회전축이 변형되는데 그 정도가 심하면 화살의 회전에 영향을 미치고 회전축이 뒤바뀌어서 전체 궤적에 영향을 미친다.

결론은 화살깃은 화살의 진동을 억제하여 방향의 정확성과 회전을 안정적으로 만들어 주는 역할을 한다고 정리할 수 있다.

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