요즘과 같은 여름철이 되면 선풍기나 에어컨이 없으면 어떻게 사나 싶을 정도로 선풍기는 우리에게 없어서는 안 될 필수품이 되었습니다. 지금과 같은 날개가 달린 선풍기가 나온 것은 1800년대 중반쯤으로 동력이나 기능이 변화하기는 했지만 날개가 회전하면서 바람을 일으키는 모습에는 큰 변화가 없었습니다. 하지만 2009년 영국의 다이슨이라는 회사에서 날개 없는 선풍기를 개발하였습니다.

날개 없는 선풍기를 보고 날개가 없는데 어떻게 바람이 생길까? 겉으로 보기에는 너무 간단한 구조로 어떻게 바람이 생기는지 무척 궁금하였습니다. 마침 교대 제1기 발명과학교육원 심화발명출원과정에서 날개 없는 선풍기의 원리를 배우고, 실제로 날개 없는 선풍기를 분해해 보았습니다.

직접 날개 없는 선풍기를 분해하여 보니 날개 없는 선풍기는 실제로 날개가 없는 것이 아니라 원기둥 안에 비행기의 제트엔진과 비슷한 팬과 모터가 있었습니다. 팬과 모터는 제트엔진의 원리(1)와 같이 모터가 돌아가면서 팬이 돌아가 아래쪽으로 공기를 빨아들여 위쪽 둥근 고리 내부로 밀어 올립니다.

위의 그림에서와 같이 둥근 고리의 단면은 속이 빈 비행기 날개 모습입니다. 이때 고리 내부로 들어간 공기는 고리의 구조적 특징 때문에 약 88km/h 정도로 속도가 빨라집니다. 이 빠른 속력의 공기가 빈 고리 내부의 작은 틈을 통해 빠져나오면서 둥근 고리 안쪽 면의 기압은 낮아지게 됩니다. 이 때문에 선풍기 고리 주변의 공기는 고리 안쪽으로 유도되어 고리를 통과하는 강한 공기의 흐름이 생기게 합니다. 이 때 고리를 통과하는 공기의 양은 모터를 통해 아래쪽으로 빨려 들어간 공기의 양보다 15배 정도 증가하는데 이러한 원리로 바람이 만들어지는 것입니다. 그런데 고리 단면은 왜 비행기 날개 모양을 닮았을까요?

비행기가 날기 위해서는 공기가 비행기를 위로 밀어 올리는 힘(양력)이 필요합니다. 이 힘의 비밀은 비행기 날개 모양에 있습니다. 비행기 날개는 윗면이 아랫면보다 불룩합니다. 공기가 비행기의 평평한 아랫면보다 불룩한 윗면을 지나갈 때 마치 좁은 관 속을 지나는 것처럼 속도가 더 빨라지게 됩니다. 공기의 속도가 빠른 윗면은 기압이 낮아지고 상대적으로 평평한 아랫면의 기압은 높아지게 되는 것입니다. 공기의 힘은 고기압에서 저기압으로 작용하므로 기압이 높은 아래쪽에서 위로 힘이 작용하게 됩니다. 이로 인해 비행기는 뜨게 됩니다. 이것을 베르누이 원리(2)라고 하는데 날개 없는 선풍기의 고리 모양도 이 원리를 이용하고 있습니다. 비행기 날개 모양을 닮은 빈 고리 내부에서 빠른 공기의 흐름이 생기게 되고 이 공기가 맞물린 작은 틈을 통해 강하게 불어나오며 고리 바깥 주변의 공기가 둥근 고리를 통과하게 되는 일정한 방향의 강한 기류가 생기게 되는 것입니다.

날개 없는 선풍기의 좋은 점은 크기가 작고 구조가 간단합니다. 고리와 모터가 있는 부분이 분리되기 때문에 쉽게 보관할 수 있고, 먼지가 쌓일 날개가 없기 때문에 위생적이며 청소가 쉽습니다. 그리고 밖으로 드러나는 선풍기 날이 없기 때문에 우리 집과 같이 어린아이가 있는 집에서 안전하게 사용할 수 있습니다. 그리고 보통 선풍기보다 에너지 효율이 좋습니다.

그리고 한 가지 신기한 것은 날개 없는 선풍기 앞에 서서 소리를 내도 소리가 보통 선풍기처럼 진동하지 않고 그대로 소리가 납니다. 그 이유는 나오는 공기의 양이 일정하기 때문입니다.

날개 없는 선풍기는 여러 가지 발명 기법 중에서 빼기 기법에 해당되는 발명품입니다. 빼기 발명이란 이미 있는 물건에서 그 일부를 없앰으로써 새로운 효과가 발생하도록 하는 것입니다. 빼기 발명의 예로는 무설탕 껌, 무선전화기, 튜브리스 타이어 등이 있습니다. 빼기 발명이라고 해서 무조건 떼어낸다고 다 발명이 되는 것은 아닙니다. 기존 제품의 일부를 제거해도 다른 문제를 일으키지 않으면서 성능이 향상되거나, 디자인이 아름다워져야 쓸모 있는 발명이 될 수 있는 것입니다. 그런 점에서 날개 없는 선풍기는 빼기 발명의 대표적인 발명품입니다.

여러분들도 어떤 물건에는 반드시 어떤 것이 있어야 한다는 고정 관념을 과감하게 버리고 전혀 다른 눈으로 물건들을 보세요. 날개 없는 선풍기보다 더 훌륭한 발명품이 나올 수 있을 것입니다.

(1)제트엔진의 원리

열을 발생시켜 일로 바꾸는 장치인 열기관의 한 종류이다. 열기관 내부로 흡입된 공기와 연료가 섞여 연소하면 고온의 기체가 발생한다. 이 기체가 외부로 분출되면 분출 기체의 반작용으로 추진력을 얻는 장치이다. 보통 항공기에 사용되는 엔진을 말하며 내부에 팬이 있어 공기를 흡입 압축하는 역할을 하거나 추진력을 높이는 기능이 더해지기도 한다.

(2)베르누이 원리

공기나 물과 같은 유체가 빠른 속력으로 흐르면 압력이 작아지고, 느린 속력으로 흐르면 압력이 커진다. 비행기가 뜰 수 있는 이유, 빠르게 달리는 자동차 옆을 지나면 주변의 공기가 빠른 속력으로 함께 움직이기 때문에 쏠림 현상이 일어나는 이유 등을 이 원리로 설명할 수 있다.

*참고 자료

네이버 지식백과

발명100제, 전인기외 3인 엮음, 도서출판 세화

과학으로 만드는 비행기, 박영기 지음, 지성사