기술 특집

윈드서핑(windsurfing)의 초기 개념은 1962년 두 명의 항공우주(aeronautic) 엔지니어인 짐 드레이크(Jim Drake)와 프레드 페인(Fred Payne) 사이의 대화에서 시작되었습니다. 평소 서핑과 스키를 즐기던 이들은 포토맥(Potomac) 강변에 오두막을 빌려 머물며, 항공 역학 및 공기 역학적 지식을 바탕으로 휴가 기간 동안 강을 항해할 수 있는 '연동력 수상스키(kite-powered water ski)'와 '연동력 서프보드(kite powered surfboard)'를 구상하기 시작했습니다. 하지만 당시의 연(kite) 제작 기술은 오늘날처럼 정교하지 못했기에, 그들의 구상은 구상에만 머물렀습니다.

이 두 엔지니어 외에도 1960년대 초반, 윈드서핑 발전에 기여한 두 인물이 더 있었습니다. 당시 12세였던 영국의 소년 피터 칠버스(Peter Chilvers)는 헤일링 아일랜드(Hayling Island)에서 휴가를 보내던 중 기발한 생각을 해냈습니다. 나무 문짝에 구멍을 뚫어 돛대를 세우고 캔버스 천을 매달아 돛을 만든 뒤, 그것을 타고 강을 내려갔습니다. 1965년경 미국 중서부에 살던 뉴먼 다비(Newman Darby)는 피터 칠버스의 방식과 유사하게 대형 연을 만들어 중앙 골조를 서프보드 중앙에 꽂아 돛대(mast)로 사용하는 장난감을 만들었습니다. 또한 바람의 방향에 따라 돛의 각도를 조절할 수 있도록 360도 회전과 굴곡이 가능한 '유니버설 조인트(universal joint)'를 독자적으로 개발하여 보드와 돛대를 연결했습니다. 그러나 이 '연동력 보드'는 조종이 너무 어려워 대중의 관심을 끌지 못했습니다.

1966년, 짐 드레이크는 남부 캘리포니아의 한 파티에서 서핑 전문가인 호일 슈바이처(Hoyle Schweitzer)에게 이전에 구상했던 윈드서핑 개념을 설명했고, 호일은 큰 관심을 보였습니다. 두 사람은 즉시 지역 서프보드 공장에서 적당한 보드를 골라 재료로 삼았습니다. 드레이크는 유니버설 조인트를 제작하고, 1962년의 '연' 구상을 버리는 대신 칠버스 소년과 같은 '1인용 범선' 개념을 채택했습니다. 여기에 자신의 풍부한 공기 역학 지식을 결합하고 돛 제작자인 밥 브루사드(Bob Broussard)의 도움을 받아 1967년 5월, 역사상 최초의 '윈드서핑' 보드를 제작했습니다.

첫 번째 수중 테스트 당시에는 물 위에서 돛을 끌어올리는 방법을 몰라 동행했던 밥이 물속에 서서 돛을 들어 올려 보드 위의 짐에게 전달해야 했습니다. 즉, 매번 '세일링 시작'을 위해 두 명이 필요했던 것입니다. 두 번째 테스트에서는 '업홀 라인(uphaul line, 돛 인양줄)'을 추가하여 혼자서도 조종할 수 있게 개량했으며, 이로써 오늘날 윈드서핑의 주요 요소들이 완성되었습니다.

드레이크는 윈드서핑의 역학 원리를 과학 보고서로 작성하여 1969년 제1회 미국 항공우주 연구센터 심포지엄에서 발표했습니다. 이후 호일과 그의 아내 다이앤(Diane Schweitzer)의 마케팅 전략에 힘입어 윈드서핑은 유럽과 미국에서 폭발적인 인기를 끄는 해상 스포츠로 자리 잡았습니다.

오늘날 많은 이들이 짐을 '윈드서핑의 아버지' 또는 '발명가'라고 칭송하지만, 그는 겸손하게 자신을 '윈드서핑의 재발명자'일 뿐이라고 말합니다. 비록 그가 윈드서핑을 발명할 당시 다른 두 사람의 아이디어를 듣지 못했고, 그들의 발명이 상업적으로 '성공'하지는 못했지만, 시기적으로 그들이 자신보다 몇 년 앞섰기 때문에 그들이 제1, 제2의 발명가이며 자신은 제3의 '재발명자'일 뿐이라는 것입니다.

사람들은 흔히 요트가 바람이 부는 방향, 즉 순풍으로만 이동할 수 있다고 생각합니다. 하지만 삼각돛은 요트가 바람을 거슬러 이동하는 것(역풍 항해)을 가능하게 합니다. 역풍 항해의 원리를 이해하기 위해 먼저 돛과 관련된 몇 가지 용어를 알아야 합니다.

바람이 가장 먼저 닿는 돛의 가장자리를 '앞날(Leading edge, 리딩 에지)'이라고 하며 선체 앞쪽에 위치합니다. 돛 뒤쪽의 가장자리는 '뒷날(Trailing edge, 트레일링 에지)'이라고 합니다. 앞날에서 뒷날까지 이은 가상의 수평선을 '시위(Chord, 코드)'라고 합니다. 돛의 곡률은 '드래프트(Draft)'라고 하며, 시위에서 최대 드래프트 지점까지의 수직 거리를 '코드 깊이(Chord depth)'라고 합니다. 공기가 가득 차서 오목해진 면을 '바람맞이 면(Windward side, 윈드워드)', 볼록하게 튀어나온 면을 '바람 의지 면(Leeward side, 리워드)'이라고 합니다. 이 용어들을 바탕으로 요트의 구동 원리를 설명하겠습니다.

돛은 바람을 받으면 비행기의 날개와 매우 유사한 작용을 합니다. 돛의 횡단면이 곡선이기 때문에, 바람 의지 면(볼록한 면)을 흐르는 공기는 경로가 길어 유속이 빠르고, 바람맞이 면(오목한 면)을 흐르는 공기는 경로가 짧아 유속이 느립니다. 베르누이의 원리에 따라 유속이 빠른 곳은 압력이 낮고, 유속이 느린 곳은 압력이 높습니다. 이 압력 차이로 인해 돛 면에 수직인 합력(Total Aerodynamic Force)이 발생합니다.

이 합력은 두 가지 분력으로 나눌 수 있습니다. 하나는 선체를 앞으로 나아가게 하는 '추진력(Driving Force)'이고, 다른 하나는 선체를 옆으로 밀어내는 '측면 추력(Sideways Force)'입니다.

일반적으로 측면 추력이 추진력보다 크지만, 선체 아래에 있는 '핀(Fin)'이나 '대거보드(Daggerboard, 센터보드)'가 물속에서 저항을 만들어 측면 추력의 대부분을 상쇄하고 선체가 옆으로 밀리는 것을 막아줍니다. 결국 남은 추진력이 요트를 앞으로 나아가게 합니다. 이것이 요트나 윈드서핑이 바람 방향과 약 45도 각도를 이루며 역풍으로 전진할 수 있는 이유입니다.

비행기가 하늘을 나는 원리는 돛이 전진하는 원리와 유체역학적으로 동일합니다. 이는 주로 베르누이의 원리(Bernoulli's Principle)에 기초합니다. 유체의 유속이 빠를수록 압력은 낮아진다는 원리입니다. 비행기 날개는 위쪽 경로를 길게(유속은 빠르고 압력은 낮게), 아래쪽 경로를 짧게(유속은 느리고 압력은 높게) 설계하여 양력(Lift)을 발생시키며, 이 힘으로 중력을 극복하고 하늘을 날게 됩니다.

그림에서 보듯 날개 위쪽을 흐르는 공기의 속도가 아래쪽보다 빨라 위쪽 기압이 아래쪽보다 낮아집니다. 이 위로 향하는 압력 차이가 바로 양력입니다. 윈드서핑의 경우, 돛은 수직으로 세워진 날개와 같아서 위로 향하는 양력 대신 앞으로 나아가는 추진력을 발생시킵니다.