[2023학년도 수능완성 독서] (과학) '선박에 작용하는 세 가지 저항'-지문 해설, 변형 문제!!

 

[18~22] 다음 글을 읽고, 물음에 답하시오.

 

선박이 항해할 때 일반적으로 선체에는 조파 저항, 마찰 저항, 조와 저항이라는 세 종류의 저항이 작용하여 운항 효율에 영향을 준다. 항해하는 선박을 상공에서 보면 ⓐ선체 측면에서 비스듬하게 나가는 물결과 선미(船尾)에서 선박의 진행 방향과 거의 수직으로 나가는 물결이 있다는 것을 알 수 있다. 물결은 선박이 물의 표면을 밀어내면서 진행하기 때문에 생기는 것으로 선박의 운항에 저항으로 작용한다. 이와 같이 유체 속을 운동하는 물체가 파동을 일으킴으로써 받는 저항이 조파 저항이다. 그러므로 물결을 크게 만드는 선박일수록 조파 저항을 더 크게 받는다. 선박의 운항 속도를 높이면 조파 저항은 점점 커지는데, 처음에는 조파 저항이 속도의 제곱에 비례해서 증가하지만 어느 정도 속도가 빨라지면 제곱값보다 더 크게 증가한다. 이 속도에서는 아무리 엔진의 추진력을 높여도 속도 변화가 거의 없는 상태가 되는데, 이를 ‘조파 저항의 벽’이라 부른다.

 

 

 

그러면 조파 저항은 어떻게 줄일 수 있을까? 선박을 가늘고 길게 만들면 조파 저항은 감소한다. 칼처럼 날카로운 형태를 가진 선박은 수면을 달려도 물결을 거의 만들지 않아 조파 저항이 작다. 그러나 ⓑ앞뒤로 가늘고 긴 모양에는 한계가 존재한다. 지나치게 가늘고 길면 선박의 복원력*이 감소해서 선박이 쉽게 뒤집힌다. 한편 선박의 속도 증가에 따라 조파 저항은 ⓒ커졌다 작아졌다 하면서 전반적으로 증가한다. 선수(船首) 부근에서 발생하는 물결과 선미 부근에서 발생하는 물결이 서로 간섭을 일으키기 때문이다. 이처럼 물결이 간섭하는 원리를 이용해 조파 저항을 줄이는 장치가 수면 아래 공처럼 튀어나온 구상 선수이다. 구상 선수에서 만드는 물결과 선수부에서 만들어진 물결이 서로 상쇄되어 조파 저항을 줄일 수 있다. 구상 선수는 수면 위에 어느 정도 돌출되거나 수면에 가까워야 큰 물결을 발생시켜 운항 효율이 높아지지만, ㉠저속 운항 시에는 이렇게 설계된 구상 선수가 오히려 운항 효율을 떨어뜨리는 역효과가 발생한다. 따라서 저속 운항하는 선박의 구상 선수는 고속 운항 시에 비해 그 크기를 줄이고 수면에 더욱 잠기도록 설계한다.

- 이하 생략 -

 

 

 

[해설]

「선박에 작용하는 세 가지 저항」

 

{해제}

이 글은 운항하는 선박에 작용하는 조파 저항, 마찰 저항, 조와 저항에 대해 설명하고 있다. 조파 저항은 유체 속을 운동하는 물체가 파동을 일으킴으로써 받는 저항이다. 조파 저항은 선박 속도의 제곱에 비례해서 증가하다가 어느 수준 이상부터는 급격히 증가하는데, 이를 조파 저항의 벽이라 한다. 구상 선수를 설치하면 선수부의 물결을 상쇄시키는 물결을 발생시켜 조파 저항을 줄일 수 있다. 마찰 저항은 유체가 점성을 갖기 때문에 물체 표면에 작용하는 저항으로, 선체 표면적과 속도의 제곱에 각각 비례한다. 조와 저항은 선체의 모양이 갑자기 달라지는 선미 부분에서 물의 입자가 유선으로 흐르지 못하고 흩어지게 되면서 선체의 진행 방향에 역류하여 소용돌이가 발생할 때 나타나는 저항이다. 유선형의 선박은 박리의 발생을 줄여 조와 저항을 줄일 수 있다.

 

{주제}

선박 운행에 작용하는 조파 저항, 마찰 저항, 조와 저항

 

 

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