영화부터 스포츠까지 유체역학으로 바라본 세계

〈이렇게 흘러가는 세상〉은 유체역학의 기술적 사례뿐만 아니라, 모르고 지나쳤던 흔한 현상에 유체역학적 원리까지 살펴보는 책이다. ‘〈겨울왕국〉의 진짜 같은 파도는 어떻게 만들어질까?’, ‘출퇴근길 차량의 움직임도 예측할 수 있을까?’, ‘돈의 흐름을 계산하는 것도 가능할까?’와 같은 질문에 대한 물리학자와 공학자들의 해답이 흥미롭게 전달된다. 영화ㆍ교통ㆍ의학ㆍ미술ㆍ경제 등 총 아홉 분야 속 유체역학의 각종 사례들로 독자들은 유체역학의 새로운 면모를 확인할 수 있을 것이다. 이렇듯 오늘날의 유체역학은 다양한 분야에서 응용되고 있다. 물론 류현진이 유체역학을 완벽히 이해해서 마구를 던지는 것이 아니며, 잭슨 폴록이 물감의 물성을 분석했기 때문에 명작을 탄생시켰던 것도 아니다. 하지만 유체역학의 발전을 통해 우리는 여러 물리 현상을 설명할 수 있게 되었고, 이 지식체계를 통해 실생활에서 유체역학을 활용하고 재현할 수 있게 되었다. 〈이렇게 흘러가는 세상〉은 이러한 유체역학의 현주소를 다양한 분야를 통해 풀어내는 책이다.

들어가며

1. 영화 속 흐름
과학자와 손을 맞잡은 영화감독
200년 넘게 풀리지 않은 방정식
흐름, 컴퓨터로 풀다
현실보다 더 현실 같은 가상 세계
컴퓨터 그래픽 연구의 계보

2. 교통 속 흐름
교통도 일종의 흐름이다
다양한 교통류 모델
교통 체증을 줄이는 방법
지하철 개찰구와 병목 현상
개미 굴 파기와 파레토 법칙
미래로 가는 길

3. 의학 속 흐름
혈액은 어떻게 흐를까?
피는 물보다 진하다
칩 위의 연구실, 랩온어칩
혈관은 어떻게 막히는가?
인체 내 공기 흐름, 호흡

4. 미술 속 흐름
고흐 작품 속 밤하늘
시케이로스 기법의 불안정성
잭슨 폴록의 물리학
다빈치와 유체역학
액체 조각가
유체의 흐름을 포착하다

5. 경제 속 흐름
금융 시장으로 침투한 유체역학
바슐리에의 재발견
자기 유사성의 반복, 프랙털
경제학과 물리학, 그리고 수학의 콜라보
물리학자와 수학자, 금융 시장에 뛰어들다
미래의 자산 관리
6. 건축 속 흐름
한옥의 여름과 겨울
자연 에어컨, 풍혈
더운 나라들의 전통 건축
초고층 빌딩과 바람
동물들의 집 짓기
아프리카 흰개미집에서 배우다
벌집의 비밀

7. 스포츠 속 흐름
속임수의 미학, 변화구
슈팅 라이크 베컴
‘흙신’ 나달의 전략
미식축구공과 자이로 효과
골프공의 보조개, 딤플
부메랑, 다시 돌아오다

8. 전쟁 속 흐름
앵그리버드와 탄도학
물수제비를 이용한 도약 폭탄
물은 쇠보다 강하다
무기의 원리, 일상에 들어오다
세상에서 가장 슬픈 프로젝트

9. 요리 속 흐름
참치 해동의 과학
굽기의 기술
요리의 또 다른 열쇠, 압력
소롱포의 비밀
미소시루의 물리학
화학과 요리의 만남, 분자 요리

맺으며

참고 자료

이 세상의 거의 모든 것들은 흐르고 있으며, 유체역학은 이 흐름을 이해하고 분석하는 데 중요한 도구로 활용된다. 그리고 이 ‘흐름의 과학’은 앞으로도 계속해서 세상을 한 걸음씩 발전시킬 것이다. 1,300년 전 중국의 시성 두보(杜甫)가 노래한 대로.
_들어가며이처럼 화려한 영상미와 현실보다 더 현실 같은 스크린 이면에는 나비에-스토크스 방정식을 포함한, 컴퓨터가 풀어낸 수많은 수학 공식들이 자리하고 있다. 과거에는 수학을 연구하는 데 종이와 연필만 있으면 충분하다는 이야기가 있었다. 하지만 이제는 응용수학이라는 이름으로 컴퓨터, 그것도 최첨단의 슈퍼컴퓨터가 있어야만 해결할 수 있는 문제들이 점차 늘어나고 있다. 수학이 더이상 기초 학문이 아닌, 우리의 일상을 풍요롭게 하는 응용 학문으로 거듭나고 있는 것이다. 그리고 유체역학, 즉 흐름의 과학 역시 이 발전과 궤를 같이 하고 있다.
_컴퓨터 그래픽 연구의 계보 물과 바람, 그리고 인간 사회에 이르기까지, 세상이 수많은 흐름들로 이루어진 이유는 사실 우리가 사는 지구가 흐름으로부터 시작되었기 때문이다. 즉, 흐름의 역사는 지구의 역사와 궤를 같이 한다.
_의학 속 흐름 일본 에도시대 목판화가 가쓰시카 호쿠사이의 〈가나가와 해변의 높은 파도 아래〉는 후지산을 배경으로 거센 파도가 내뿜는 거품을 생동감 넘치게 묘사한 작품으로 유명하다.
파도는 바닷물이 바람이라는 강한 충격으로 인해 미세한 물방울과 공기 방울로 부서지는 과정의 반복이다. 이때 새하얀 물거품이 우리 눈에 관찰되는 것은 바닷물의 유기물이 일종의 계면 활성제(surfactant) 역할을 하기 때문이다. 다시 말해 바닷물의 표면장력이 민물에 비해 거품이 잘 터지지 않도록 하여 물거품을 오래 관찰할 수 있다.
_의학 속 흐름세계 최고층 빌딩인 부르즈 할리파의 설계를 담당한 미국 건축가 윌리엄 베이커 역시 초고층 빌딩을 지을 때 가장 고민하는 문제는 건물의 무게나 지진이 아닌 바람이라고 이야기한 바 있다.
바람이 건물을 만나면 양쪽으로 갈라지며 소용돌이가 발생하는데, 심할 경우 이로 인해 건물이 흔들린다. 이때 바람과 빌딩의 진동수가 일치하면 박자를 맞추어 그네를 밀듯이 점차 많이 흔들리게 되므로 빌딩의 최상단에 변칙적인 구조물을 설치하여 바람을 교란시켜야 한다.
_초고층 빌딩과 바람

세상 곳곳에 숨겨진 유체역학
그리고 흐름으로 보이는 것들
어제와 같은 눈으로 보면 세상은 우두커니 멈춰 서 있는 것처럼 보일 때가 있다. 하지만 어제와 똑같아 보이는 강물조차 흐르는 모양과 세기와 방향은 언제 한번 같았던 적이 없다. 그렇다면 세상의 물리적 변화를 포착하고 해명하는 학문인 유체역학으로, 세상의 변화무쌍한 면모를 새롭게 볼 수 있지 않을까? 〈이렇게 흘러가는 세상〉은 유체역학의 원리로 가득한 세상과 그 세상을 더욱 풍성하게 만드는 유체역학적 기술을 살펴보는 책이다.
유체역학은 세상의 현상 속 흐름을 이해하고 또 다른 분야에 그 흐름을 이용하기 위한 학문이다. 하지만 과학과 공학 분야에서 활발히 연구될 뿐, 많은 이들에게 유체역학으로 바라본 세상이 소개된 적은 많지 않다. 유체역학을 전공한 저자의 말마따나 복잡한 수식과 난해한 이론으로 이뤄진 유체역학은 ‘무시무시한 학문’이자 ‘그들만의 리그’였다. 하지만 유체역학을 전면에 내세운 이 책은 그렇게 무시무시하지 않다. 유체역학이 최근 기존의 영역에서 벗어나 세상 곳곳에 스며들고 있기 때문이기도 하고, 저자의 글이 편안하고 흥미진진하게 흘러가기 때문이다.
저자는 세상 곳곳을 유체역학이라는 망원경으로 관찰하고, 유체역학이 바꾼 세상 곳곳을 소개한다. 유체역학이 단지 액체만의 문제가 아님을 이 책을 통해 알 수 있다. 유체역학은 교통 문제에도 관여한다. 평소의 눈으로 본 도로 위의 자동차들은 불연속적인 점처럼 보이지만 조금 더 멀리서 보면, 연속체인 유체(流體)에 가깝게 행동한다. 그런데 자동차들이 이동하는 속도와 밀도 그리고 정체는 유체의 속도, 밀도 그리고 유동저항의 개념과 상당히 비슷하다. 그래서 교통류(traffic flow)를 통해 유체역학 이론이 교통 문제에 적용되고 있다는 사실은 이제 새삼스럽지 않을 정도다. 교통방송에서 자주 나오는 ‘교통 흐름’이란 표현은 단지 수사가 아닌 그 실체에 가까운 표현이다.
〈겨울왕국 2〉 속 눈보라가 유체역학이 적용된 그래픽 엔진으로 실현되기까지의 과정, 월스트리트에 물리학자들이 몰려간 사연 등 유체역학의 악명(?)과 달리 이 책은 하나하나 재미있는 이야기와 사연들로 유체역학의 세계로 흘러간다. 물리학 기반의 컴퓨터 그래픽은 표현의 한계를 넘어서게 해줬고, 공기 흐름을 이용한 변화구는 투수들의 강력한 무기가 되었다. 이렇듯 유체역학으로 본 세상은 매우 역동적이며, 생동감이 넘치며, 실생활을 더욱 풍요롭게 한다. 不辰長江滾滾來(부진장강곤곤래)
“끝없는 장강의 물결은 도도히 흐른다.”1,300여 년 전에 두보는 흐르는 강물을 두고 불멸로 남을 시를 노래했다. 오랜 세월이 지나서도 여전히 흘러가는 강의 도도한 물결을, 오늘날의 우리는 유체역학을 통해 새롭게 보게 되었고 심지어 이러한 물리 현상을 재현할 수도 있게 되었다. 결국 중요한 것은 “세상과 시간이라는 도도한 흐름 앞에서, 우리는 무엇을 보고 배워야 할까?”에 대한 제각각의 해답이다. 〈이렇게 흘러가는 세상〉은 과학의 이름으로, 그리고 세상 곳곳의 모습으로 이 해답의 실마리를 찾아가는 책이다.