[생활 속 과학이야기] 축구공 알고 보니 '과학의 결정체'

2002 한ㆍ일 월드컵 축구 대회가 지난 5월 31일 개막되었습니다.
전세계인의 이목(耳目)을 집중시킬 이번 월드컵은 축구를 통해
서로 하나가 되는 인류 화합의 축제입니다.

여러분! 축구 선수들이 다루는 축구공 속에 과학의 비밀이 담겨져 있다는
사실을 알고 계시나요? 오늘은 축구공의 과학에 대해 알아 보도록 하겠습니다.

정오각형과 정육각형의 오묘한 조화

모든 면이 합동인 정다각형으로 이루어지고, 꼭지점에서 만나는 면의 개수가 같은 다면체를 정다면체라고 합니다. 예를 들어 주사위는 4면이 합동인 정사각형 6 개가 모여 만들어진 정육면체입니다. 그렇다면 축구공은 어떤 모양인지 알고 계시나요? 아마 관찰력이 있는 친구라면, 정오각형 조각 12 개와 정육각형 조각 20 개를 이어 만들었음을 알 수 있을 것입니다. 축구공은 정이십면체를 응용한 것인데, 우선 정이십면체의 면을 정육각형 20 개로 만들고, 각 육각형이 만나는 꼭지점 12 개에 정오각형을 집어 넣으면 축구공 모양을 갖추게 됩니다.

이렇게 만들어진 32 면체는 자연상에서 매우 안정된 구조입니다. 그 모양은 현미경에서나 볼 수 있는 원자 구조에서부터 대형 구조물에 이르기까지 흔히 볼 수 있습니다.

크로토ㆍ스몰리ㆍ컬 등의 과학자들은 순수 탄소 원자들의 배열에 대해 연구하다가, 탄소 원자 60 개를 축구공의 각 꼭지점 위치에 놓이는 형태로 결합시켜 보았더니 매우 안정된 구조를 이루게 됨을 발견하였습니다. 높은 온도와 압력에서도 잘 견디는 안정된 구조인 이 물질은 공업용으로 그 이용 가치가 매우 높은 것으로 인정되어 1996년에 노벨화학상을 수상하게 되었습니다. 이 구조와 안정성은 대형 건축물에서도 확인할 수 있으며, 구조물 내부에 기둥이 없도록 지어야 하는 실내 체육관이나 전시회장에서 이 모양을 응용하여 건축하는 것을 종종 볼 수 있습니다.

피버노바가 나올 때까지

축구공은 32 개의 가죽 조각을 약 1620 회 바느질을 통해 한 조각, 한 조각 이어 제작합니다. 또한 겉표면은 방수 및 공기 마찰을 줄이기 위한 특수 물질을 6 회 정도 덧칠 합니다. 국제 축구 연맹(FIFA)에서는 월드컵 대회 때마다 새로운 공식 축구공을 선보입니다. 매 대회마다 축구공 겉면의 재질, 방수성, 땅에서 튀는 정도, 슈팅했을 때 정확히 날아가는 정도, 공의 회전력, 디자인 등을 고려하여 선수들의 실력을 100 % 발휘할 수 있는 축구공이 사용됩니다.

국제 축구 연맹의 최초 공인구인 '텔스타'는 1970년 멕시코 월드컵에서 처음으로 선보였습니다. 그 이후 2002 한ㆍ일 월드컵의 공인구인 '피버노바(찬란히 빛나는 스타들의 열기라는 뜻)'가 나오기까지 축구공은 계속된 진화를 거듭했습니다. 1978년 아르헨티나 월드컵에선 가죽공에 폴리우레탄을 결합시킨 '탱고'라는 공인구가 사용되었는데, 이 공은 완전 방수가 될 뿐만 아니라 탄력과 회전력이 매우 좋았습니다. 이후 1986년 멕시코 월드컵에선 100 % 인조 가죽공인 '아즈테카'가 선보였으며, 1990년 이탈리아 대회에서는 '에트루스코 유니코'가 사용되었습니다.

1994년 대회 이후에는 축구공 안에 미세 공기층을 포함한 폴리우레탄 합성 수지를 넣어 공의 반발력을 높였습니다. 선수가 공을 차면 공표면은 수축이 되고, 공 내부의 압력은 증가하게 됩니다. 공 안의 압력이 최대에 이르면 공기는 밖으로 빠져 나가려고 하며, 공 모양은 원래의 모습으로 되돌아오려고 하는데, 이를 '반발력'이라고 합니다.

이 반발력으로 인해 공은 가속이 붙어 날아가는 것입니다.

2002년 공인구인 '피버노바'는, 35 m 떨어진 곳에 놓인 다른 공을 맞추는 로봇 실험에서 99.9 %의 성공률을 보일 정도로 정확도가 높아졌고, 같은 강도로 슈팅할 때 이전의 공보다 30 cm 이상 더 날아갑니다. 또 드리블하는 선수가 공의 진행 방향을 쉽게 예측할 수 있도록 성능이 개선되었습니다.

우리가 무심코 차는 축구공에도 이처럼 과학이 숨어 있습니다.

정원선ㆍ과학문화재단 연구원