모터 소리 없이 강한 바람을 만드는 날개 없는 선풍기의 유체역학 원리

Question

날개 없는 선풍기는 겉보기에는 날개가 없는데도 기둥 밑받침에서 공기를 빨아들여 위쪽 고리에서 엄청난 바람을 뿜어냅니다. 기류의 압력 차이를 이용해 주변 공기까지 함께 끌어당겨 바람을 증폭시키는 공학적 메커니즘이 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

날개 없는 선풍기의 핵심은 사실 날개가 없는 게 아니라 날개를 밑받침 안에 숨겨놓은 거예요. 그리고 그 작은 바람을 몇 배로 뻥튀기하는 유체역학 원리가 더해져 있어요. 두 단계로 나눠서 풀어볼게요.

먼저 공기를 빨아들이는 부분이에요. 기둥 밑받침 안에는 작은 모터와 임펠러라는 팬이 들어 있어요. 우리 눈에 안 보일 뿐이지 실제로는 여기서 공기를 빨아들이는 거예요. 밑받침 틈으로 주변 공기를 끌어들여서 위쪽 고리로 밀어 올리는 게 1단계예요. 여기까지는 평범한 선풍기와 비슷한데, 진짜 마법은 그다음부터예요.

위쪽 둥근 고리를 자세히 보면 가느다란 틈이 둘레를 따라 나 있어요. 밑받침에서 올라온 공기가 이 좁은 틈으로 빠져나오는데, 좁은 곳을 통과하면 공기의 속도가 확 빨라져요. 호스 끝을 손가락으로 좁히면 물이 더 세게 뿜어지는 것과 같은 원리예요. 그래서 이 틈에서 아주 빠른 공기 막이 만들어져요.

여기서 핵심 원리가 등장해요. 빠르게 흐르는 공기는 주변보다 압력이 낮아져요. 공기가 빠를수록 압력이 낮다는 건 유체역학의 기본 법칙인데, 비행기 날개가 뜨는 것도 같은 원리예요. 고리 틈에서 빠른 공기가 뿜어져 나오면 그 주변이 저기압 지대가 되고, 그러면 압력이 높은 바깥쪽 공기가 이 저기압 쪽으로 빨려 들어와요. 고리 뒤편에 있던 가만히 있던 공기가 빠른 기류에 끌려 함께 앞으로 흐르는 거예요.

게다가 고리 단면이 비행기 날개처럼 비스듬한 경사 모양으로 설계돼 있어요. 틈에서 나온 빠른 공기가 이 경사면을 타고 흐르면서 주변 공기를 더 효율적으로 끌어당겨요. 그래서 밑받침에서 빨아들인 공기보다 훨씬 많은 양의 공기가 고리를 통과해 앞으로 나아가게 돼요. 제조사 설명에 따르면 처음 빨아들인 공기의 열다섯 배 이상까지 증폭된다고 해요. 작은 바람을 미끼로 던져서 주변의 거대한 공기 덩어리를 함께 끌고 나오는 셈이에요.

이 끌어당김 효과를 유도와 동반이라고 불러요. 빠른 기류가 주변의 느린 공기를 유도해서 함께 데려간다는 뜻이에요. 분무기나 제트엔진도 비슷한 원리를 쓰는데, 적은 동력으로 큰 흐름을 만들어내는 영리한 방식이에요.

날개가 겉으로 안 보이는 덕분에 생기는 장점도 있어요. 빠르게 회전하는 날개가 노출돼 있지 않으니 아이 손이 다칠 위험이 없고, 청소도 쉬워요. 또 일반 선풍기는 날개가 공기를 토막토막 끊어 치면서 바람이 끊기는 느낌과 소음이 나는데, 날개 없는 선풍기는 고리에서 연속적인 공기 막이 흘러나와서 바람이 더 부드럽고 균일하게 느껴져요. 모터와 팬이 밑받침 깊숙이 숨어 있어 소음도 상대적으로 조용하고요.

정리하면 날개 없는 선풍기는 밑받침에 숨긴 팬으로 공기를 빨아들인 뒤, 고리의 좁은 틈으로 빠르게 분출시켜 주변을 저기압으로 만들고, 그 저기압이 바깥 공기를 끌어들여 바람을 몇 배로 증폭시키는 장치예요. 빠른 공기는 압력이 낮아진다는 단 하나의 원리가 이 모든 마법의 핵심이랍니다 :)