하늘에서 떨어지는 빗방울은 속도가 얼마나 될까요? 어릴때부터 한번쯤 생각해봤을 법한 궁금증입니다. 이번 시간에는 빗방울의 속도에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 빗방울이 하늘에서 떨어질 때 빗방울에는 두가지 저항력이 작용하게 됩니다. 첫번째 저항력은 공기와의 마찰에 의해서 생기는 마찰저항입니다.
그리고 두번째는 형상저항인데요, 형상저항이란 물체의 앞쪽과 뒤쪽에 작용하는 압력차이로 발생하는 저항을 말합니다. 압력차이로 인해서 생기는 저항이기 때문에 압력저항이라고 부르기도 합니다. 이와 같이 마찰저항과 형상저항으로 인해서 빗방울은 속도가 무한정 빨라질 수 없게 되는 것이죠.
빗방울이 하늘에서 떨어질 때 처음에는 아주 느린 속도로 떨어지다가 점차 중력의 작용으로 속도가 빨라지게 됩니다. 빗방울의 속도가 빨라지게 되면 저항력도 점차 커지게 되는데요, 일정 속도가 되면 중력과 저항력이 같아지게 되어서 더이상 속도가 빨라지지 않게 되고 일정한 속도로 떨어지게 됩니다.
즉 중력이 빗방울을 끌어당기는 힘과 공기의 마찰저항과 공기의 형상저항이 합해진 저항력이 서로 동일하게 작용하게 되어 빗방울에 더이상의 가속운동이 일어나지 않게 되는 것이죠.
이 때의 빗방울의 속도를 종단 속도라고 부릅니다. 종단 속도는 더이상 속도가 증가하지 않는 상태의 속도를 말하는 것입니다. 이 종단 속도로 최종 도착지인 지면까지 일정한 속도를 유지하면서 떨어지게 됩니다.
그럼 빗방울의 종단속도는 어느정도 될지 알아보겠습니다.
빗방울의 지름에 따라서 종단 속도가 달라지게 되는데요, 일반적인 비의 경우 빗방울이 약 1~2 mm정도 되는데요, 이 때의 낙하속도는 4 m/s 정도 된다고 합니다.
그리고 폭우의 경우는 빗방울이 일반 비보다 더 굵은데요, 빗방울은 약 3mm 정도 됩니다. 이 때 폭우의 낙하속도는 8 m/s 정도가 된다고 합니다. 폭우가 쏟아질 때 빗방울이 거세게 느껴지는 것이 빗밧울의 크기와 속도가 일반적인 비가 내릴 때보다 더 크고 빠르기 때문이라는 것이 좀 이해가 됩니다.
참고
http://dl.dongascience.com/magazine/view/S200809N061
교육정보빗방울 속도는 얼마나 빠를까? - 빗방울 크기에 따른 낙하속도