직접 만든 부메랑 실험! 왜 다시 돌아올까? 회전의 과학 (양력・자이로 효과・세차운동)
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
“던진 물체가 왜 다시 내 손으로 돌아오는 걸까?”
부메랑을 처음 본 사람이라면 누구나 한 번쯤 품게 되는 신기한 의문입니다. 사실 그 안에는 비행기 날개와 팽이에서 볼 수 있는 여러 과학 원리가 절묘하게 숨어 있습니다. 하나씩 차근차근 살펴보면, 평소 당연하게 여기던 현상이 전혀 다르게 보이기 시작할 것입니다.
부메랑의 단면은 비행기 날개와 같은 모양이다
먼저 이 실내용 부메랑을 구입해 보았습니다. 이 부메랑은 매우 가벼운 소재로 만들어져 있어서 얼굴에 맞아도 아프지 않은 것이 특징입니다. 던지기도 쉬워서 감을 익히기에 딱 좋습니다.
이 제품을 참고해 만든 것이 바로 아래의 종이 부메랑입니다.
이 작품은 『부메랑은 왜 되돌아오는가?』라는 책에 소개된 설계를 참고한 뒤, 약간의 개량을 더해 만든 것입니다.
종이 부메랑 만드는 방법
가장 중요한 것은 단단한 종이를 사용하는 것입니다. 하지만 일반 두꺼운 종이로는 잘 되지 않았습니다. 여러 가지를 시험해 본 결과, 아래의 판지 표지용 종이가 가장 적합했습니다.
이 종이를 사용해 세로 13cm, 가로 3cm 크기로 자르고, 1.5cm 길이의 홈을 넣어줍니다.
세로 13cm
가로 3cm
홈 길이 1.5cm
이 조각을 총 3장 준비합니다.
세 장을 홈 부분끼리 끼워 조립합니다. 각 날개가 약 120도 정도를 이루도록 모양을 잡은 뒤,
중앙을 스테이플러로 세 군데 고정합니다. 그리고 회전력을 높이기 위해(관성모멘트를 크게 만들기 위해) 각 날개 끝에 클립을 달아줍니다.
클립이 빠지지 않도록 비닐테이프로 감아줍니다.
이제 완성입니다. 하지만 마지막 조정이 매우 중요합니다. 부메랑을 옆에서 봤을 때 오른쪽이 약간 위로 올라가도록 날개를 비틀어 줍니다.
그리고 전체가 그릇처럼 오목한 형태가 되도록 모양을 잡아줍니다.
이 부분은 글만으로는 이해하기 어려워 영상으로 준비했습니다. 아래 영상을 참고해 주세요.
던지는 방법
던지는 방법 역시 위 영상에서 소개했지만, 날개 끝을 잡고 수직으로 세운 상태에서 던집니다. 중요한 것은 앞으로 밀어낸다는 느낌보다 회전을 주는 데 집중하는 것입니다. 손목 스냅을 활용해 강하게 회전시켜 보세요.
회전이 잘 걸리면 부메랑이 다시 손 쪽으로 돌아옵니다.
아래는 다이소에서 판매하는 시판용 부메랑입니다. 방금 만든 종이 부메랑과 비교해 보면 형태가 거의 동일하다는 것을 알 수 있습니다.
날개의 단면은 비행기 날개처럼 설계되어 있으며 오른쪽 윗부분이 올라가 있습니다.
옆에서 보면 전체가 그릇처럼 휘어 있습니다.
다이소 제품에는 던지는 방법을 설명하는 QR 코드도 포함되어 있어 이 영상을 볼 수 있습니다. 설명이 매우 이해하기 쉽습니다.
그렇다면 왜 이런 형태를 하면 다시 돌아오는 걸까요?
왜 부메랑은 되돌아오는가?
공기의 흐름 속도가 달라지면 물체를 들어 올리는 힘인 ‘양력’이 발생합니다. 거대한 비행기가 하늘을 날 수 있는 것도 바로 이 양력 덕분입니다. 그리고 또 하나 중요한 것이 바로 세차운동입니다. 이는 자이로 효과와 깊은 관련이 있습니다.
부메랑은 회전하면서 동시에 앞으로 전진합니다. 관성모멘트의 영향으로 회전하는 물체는 계속 회전하려는 성질을 가집니다. 따라서 회전축이 쉽게 흔들리지 않고 안정적으로 유지됩니다. 이것이 자이로 효과입니다.
이때 위쪽에 있는 날개는 회전 방향과 전진 방향이 같기 때문에 공기에 대해 더 빠르게 움직입니다. 반대로 아래쪽 날개는 두 방향이 반대여서 상대적으로 느리게 움직입니다. 양력은 속도가 빠를수록 커지므로 위쪽 날개는 큰 양력을, 아래쪽 날개는 작은 양력을 받게 됩니다.
이 차이로 인해 부메랑을 기울이려는 힘, 즉 토크가 발생합니다.
양력 차이로 생긴 토크는 회전축을 다른 방향으로 돌리려 하고, 그 결과 부메랑은 예상과는 다른 방향으로 회전하게 됩니다. 이것이 바로 세차운동입니다. 아래 회전판 실험 영상을 보면 세차운동의 신비를 직접 느낄 수 있습니다.
직관적으로는 “기울이는 힘을 가하면 그대로 기울겠지”라고 생각하기 쉽지만, 고속 회전 중인 부메랑은 힘이 가해진 방향이 아니라 그와 수직인 방향으로 반응합니다. 이것이 세차운동의 가장 흥미로운 특징입니다.
바로 이 원리 덕분에 부메랑은 원을 그리며 돌아옵니다. 아래 그림을 다시 보세요. 수직으로 던지면 회전하면서 되돌아옵니다.
세차운동 하면 가장 유명한 것이 팽이입니다. 아래 지구팽이 영상도 함께 보세요.
또한 부메랑이 돌아올 때는 점차 수평 상태로 변하면서 마치 공중에 떠 있는 듯한 호버링 동작을 하며 접근합니다.
이 역시 세차운동으로 설명할 수 있습니다. 비행 중 앞쪽 반원 영역과 뒤쪽 반원 영역에서 발생하는 양력의 차이 때문에 또 다른 세차운동이 생기고, 이것이 부메랑의 회전면을 점점 수평에 가깝게 만듭니다. 그래서 돌아오는 부메랑이 공중에 살짝 떠 있는 듯한 움직임을 보이게 됩니다.
부메랑의 비행 궤적은 겉보기에는 원처럼 보이지만 사실 이상적인 원운동과는 다릅니다. 비행하는 동안 세차운동 때문에 회전축 방향이 계속 조금씩 바뀌고, 양력의 방향도 끊임없이 변합니다. 따라서 일정한 방향의 구심력이 작용하는 이상적인 원운동과는 근본적으로 메커니즘이 다릅니다.
실제로 자세히 관찰해 보면 완벽한 원이 아니라 점점 안쪽으로 말려 들어가는 나선형에 가까운 궤적을 그립니다. 세차운동이 진행되면서 궤도의 굽어지는 방식도 계속 변하기 때문입니다.
그릇 모양으로 휘게 하면 회전 반경이 작아진다
부메랑을 위에서 보았을 때 완전히 평평한 형태가 아니라 중앙이 약간 높고 양쪽 끝이 아래로 내려간 그릇 모양의 곡면으로 만들면 회전 반경이 작아집니다.
그 이유는 다음과 같습니다. 평평한 부메랑에서는 양력이 회전면에 수직인 방향, 즉 옆 방향으로 주로 발생합니다. 그러나 그릇 모양으로 휘어지면 양 날개에서 발생하는 양력이 중심축 방향으로 약간 향하게 됩니다.
그 결과 궤도를 굽히는 구심력이 더 강해지고 원의 반경이 작아집니다. 이는 자전거가 커브를 돌 때 몸을 안쪽으로 기울이면 더 작은 반경으로 회전할 수 있는 것과 비슷한 원리입니다. 단지 약간의 곡률만으로도 비행 궤적이 크게 달라지는 것입니다.
무중력 우주에서도 되돌아왔다!
놀랍게도 2008년 3월, 일본의 우주비행사 도이 다카오가 국제우주정거장 내부에서 종이 부메랑을 던지는 실험을 실시했고, 무중력 상태에서도 지구에서와 마찬가지로 부메랑이 손으로 되돌아오는 것이 확인되었습니다.
이는 매우 중요한 발견입니다.
국제우주정거장(ISS)에 체류 중이던 도이 다카오 씨(53)가 부메랑 세계 챔피언 토가이 야스히로 씨(36)에게 선물 받은 부메랑을 ISS 내부에서 던지는 비공식 실험을 실시했다. ISS 내부에는 지상과 비슷한 기압의 공기가 존재하지만 중력은 거의 없다. 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)에 따르면 도이 씨가 수직으로 던진 부메랑은 정상적으로 원래 위치로 돌아왔다고 한다.
출처: 우주에서도 부메랑이 돌아왔다 – 도이 씨 실험(아사히신문)
http://www.asahi.com/special/space/kibou/OSK200803200044.html
중력이 없어도 되돌아온다는 사실은 부메랑의 핵심 원리가 양력과 자이로 효과에 있으며, 중력은 생각보다 큰 역할을 하지 않는다는 것을 보여 줍니다.
비행기 날개의 과학과 팽이의 자이로 효과. 얼핏 전혀 관계없어 보이는 두 가지 물리 현상이 부메랑이라는 단순한 도구 안에서 멋지게 결합되어 있습니다. 과학 동아리에서 직접 부메랑을 만들어 본다면, 던지는 각도와 회전 속도를 바꾸어 가며 궤도가 어떻게 달라지는지 꼭 실험해 보세요. 분명 새로운 발견을 하게 될 것입니다.
참고 자료
→ 날개 단면에 의한 양력 발생부터 세차운동에 의한 선회 메커니즘까지 물리적으로 자세히 설명되어 있습니다. 참고 문헌도 풍부합니다.
관련 기사
공기포의 소용돌이 고리
문의 및 의뢰
과학의 신기함과 재미를 더욱 가까이에서! 집에서도 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 소개하고 있습니다. 다양한 주제를 검색해 보세요!
・과학 노트의 콘텐츠가 책으로 출간되었습니다. 자세한 내용은 여기
・운영자 쿠와코 켄 소개는 여기
・각종 의뢰(집필·강연·실험교실·TV 감수·출연 등)는 여기
・최신 글 업데이트 소식은 X에서 확인하세요!
과학의 아이디어 채널에서는 다양한 실험 영상을 공개하고 있습니다!
６月のイチオシ実験！
レモンやオレンジで風船を割ろう！インパクトが抜群のリモネン風船の実験
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- ６月３日（水）20:30〜 「
バカリズムのちょっとバカりハカってみた！」（テレビ東京）を科学監修・出演します。テーマは「 そばの出前は何人前まで運べるのか、限界を測ってみた」です。 - ６月４日(木) 7:00〜 「THE突破ファイル」（日本テレビ）について科学監修しました。
- 6月14日（日） 千葉大学インスタレーション「探究」にて講師を務めます
- 6月26日（金） 公開研究会「脱作業化！デジタル化と段階的指導で実現する オームの法則の探究」
- ６月28日（日） ダビンチマスターズ＠昭和女子
- 7月18日（土） 教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
書籍のお知らせ
- 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
- 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）… 高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
各種SNS（更新情報をお届け！）
X(Twitter)／instagram／Facebook（日本語）
Explore
- 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
- 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
- Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
- 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
- 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
- About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
- お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。
