KR20110007727U - 골프공 - Google Patents

Abstract

공기와의 마찰저항을 줄여서 더욱 멀리 날아갈 수 있게 하는 골프공을 개시한다. 본 발명의 표면을 가진 골프공은 표면상에 배열된 다수의 볼록한 딤플(dimple)들을 포함한다. 이에 따라 딤플(dimple)형태의 골프공 표면조도(중심면에 대한 표준편차)는 오목한 딤플(dimple)형태의 골프공 표면조도와 유사한 정도를 유지하도록 하여 골프공의 비거리의 안정성을 확보할 수 있다.

Description

골프공 {golf ball}

본 고안은 골프공에 관한 것으로, 보다 상세하게는 볼록한 딤플 형태의 골프공에 관한 것이다.

골프공도 처음에는 다른 공들과 마찬가지로 표면을 매끄럽게 만들었다. 매끈한 새 공을 자꾸 치다 보면 공이 닳게 되고, 표면이 거칠게 변하게 된다. 골프를 즐기던 사람들은 경험에 의해 표면이 거칠어진 공이 새 공보다 더 멀리 날아간다는 사실을 알게 되었다. 그래서 밋밋한 공의 표면에 수많은 작은 홈을 내어 비거리를 늘리게 되었다. 이렇게 골프공 표면에 옴폭옴폭 패인 자국은 보조개를 의미하는 딤플(dimple)이라 부른다. 딤플(dimple)은 골프공이 날아갈 때, 공기와의 마찰저항을 줄여서 더욱 멀리 날아갈 수 있게 하는 역할을 하는 것이다.

딤플(dimple)이 골프공 표면의 약 50%를 차지하고 공 아래와 윗부분에 있는 딤플(dimple)을 가운데 부분 딤플(dimple)보다 더 깊게 만들면 역회전할 뿐 아니라 좌우로 공이 튀는 것을 방지, 공을 똑바로 멀리 날아가게 할 수 있다는 사실을 발견했다.

현재의 골프공은 오각형, 사각형, 원형 등 다양한 딤플(dimple) 모양을 가지고 있다. 이 딤플(dimple)의 모양과 개수, 그리고 깊이와 직경 등은 골프의 비거리에 영향을 미친다. 이 때문에 골프공의 디자인은 계속 바뀌어왔고 계속해서 공이 바뀌자 골프공의 크기, 무게, 대칭성, 초기속도와 전체 비행거리 등 다섯 항목에 걸쳐 상세한 규정을 만들어 골프공 규격을 규제하기에 이르렀다. 현재 골프공의 딤플(dimple) 수는 보통 200에서 500개 가량, 이 가운데 400개 내외 딤플(dimple)이 있는 골프공이 가장 많이 사용되고 있다.

볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 고안에 따른 표면을 가진 골프공은 표면상에 배열된 다수의 볼록한 딤플(dimple)들을 포함한다.

본 고안의 볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공은 오목한 딤플(dimple)과 마찬가지로 공의 앞 표면에서 난류가 발생하여 공기의 섞임이 활발하게 이루어져 공기의 흐름이 바뀌는 것이 공의 뒤쪽에서만 이루어진다. 즉 공의 앞면에 생기는 마찰저항은 증가하지만 공의 뒷면에 생기는 형상저항은 현저히 감소하게 되어 공의 비거리가 증가하게 된다. 다시 말하면 골프공의 딤플(dimple) 모양이 오목한 것이나 볼록한 것이나 동일한 역할을 하게 되어 공이 멀리 날아가게 된다.

이때 볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공 표면조도(중심면에 대한 표준편차)는 오목한 딤플(dimple) 형태의 골프공 표면조도와 유사한 정도를 유지하도록 하여 골프공의 비거리의 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 본 고안의 볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공은 볼록한 딤플(dimple)은 오목한 딤플(dimple)에 비해 골프채와의 접촉시 딤플(dimple)의 형태에 따라 접촉면이 넓을 수 있고 이에 따라 타격시 골프공의 역회전(backspin)을 보다 쉽게 함으로서 골프공을 정확하게 컨트롤할 수 있다.

또한, 본 고안의 볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공은 볼록형 딤플(dimple) 형태의 골프공은 퍼트와의 접촉면을 넓힘으로써, 퍼팅시 골프공이 타격방향으로 정확히 가도록 한다.

또한, 본 고안의 볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공은 퍼트와의 접촉면을 넓힘으로써 퍼팅시 골프공이 타격방향으로 정확히 가도록 한다.

또한, 본 고안의 볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공은 볼록한 딤플(dimple) 형태의 골프공을 제조하는 과정이 오목형 골프공을 제조하는 과정보다 성형과정(금형의 제조)이 훨씬 쉬우며, 따라서, 여러 형태의 딤플(dimple)을 위한 성형도 보다 수월하게 할 수 있을 뿐만 아니라 원가절감에도 기여할 수 있다.

도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 골프공에 대한 외형도와 딤플(dimple)의 다양한 형태를 나열한 도면,
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 표면조도에 따른 레이놀즈 수와 항력계수 관계를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 고안을 당업자가 용이하게 이해하고 해결할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 고안을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되어 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 고안 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 고안 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변경될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸쳐 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 골프공에 대한 외형도와 딤플(dimple)의 다양한 형태를 나열한 도면이다.

표면을 가진 골프공에 있어서, 표면상에 배열된 다수의 딤플(dimple)들을 포함한다. 딤플(dimple)이 규칙적인 패턴으로 배열된 것과 딤플(dimple)이 불규칙적인 패턴으로 배열된 것을 포함한다. 또한, 딤플(dimple)의 개수는 300 내지 500개이다.

딤플(dimple)의 형태를 아래와 같이 설명한다.

도1(a)는 일반적인 골프공의 오목한 딤플(dimple),

도1(b)는 오목한 딤플(dimple)과 대칭되는 볼록한 딤플(dimple),

도1(c)는 도1(b)의 딤플(dimple)보다 둥근 각도가 큰 딤플(dimple),

도1(d)는 딤플(dimple)의 윗면이 공의 둥근 형태를 따른 다소 평평한 딤플(dimple),

도1(e)는 크기가 작은 둥근 딤플(dimple)이며 딤플(dimple)의 수는 증가한다.

다른 예로, 도1(b)부터 도1(e)까지 4가지 형태를 서로 조합한 형태의 딤플(dimple) 형태가 있다.

한편, 골프공형상과 비거리의 관계의 비거리에 영향을 미치는 요인에 대해 살펴보자. 역학적 요인은 일단 공기 속에서 골프공이 날아갈 때 공기의 흐름에 의한 영향을 무시하면, 골프채에 가격된 골프공의 역학적인 상황, 즉 임펙트시 골프공이 쏘아 올려지는 지상과의 각도와 초기 속도에 의해 비거리가 결정된다. 따라서 쏘아 올려지는 각은 45도로 공기의 영향을 고려하면 백스핀(back spin)에 의하여 공이 이상적인 포물선 운동보다 더 뜨기 때문에 실제는 45도보다 적어야 한다.

이때, 가장 멀리 날아가고, 해드 스피드(head speed)가 빠를수록 비거리가 커진다. 공기 속에서 비행중에 발생하는 요인으로 백스핀(back spin)에 의한 부양을 살펴보자. 골프공은 백스핀(back spin)이 걸리므로 비행시 공 표면의 속도 방향과 유속 방향이 일치하는 위쪽에서는 유체의 속도가 커져서 즉 상부의 공기 흐름이 하부보다 빠르게 흐르고 하층부의 압력이 상층부보다 높아 양력이 발생되며, 따라서 골프공은 부양되며 체공시간이 길어지게 된다. 즉 비거리가 늘어나게 된다.

공기저항에 의한 영향은 골프공이 한없이 날아가지 못하는 것은 공기의 저항을 받기 때문이다. 공기 저항에는 두 가지 종류가 있다. 공의 앞뒤 표면에 작용하는 압력의 차이 때문에 생기는 형상저항으로 이것은 물체의 모양에 따라 다르게 나타난다. 두 번째는 공기와 공의 마찰로 인해 발생하는 마찰저항이다. 공은 형상저항이 전체저항의 대부분을 차지하므로 형상저항을 줄여주면 공은 멀리 날아간다.

형상저항과 마찰저항은 공이 날아갈 때 공기는 공의 표면을 따라 흐르게 된다. 그러나 공의 속도가 커지면 공기의 흐름은 공의 중간쯤부터 표면에서 멀어진다. 그러면 공의 중간 이후부터 공기의 속도가 급격하게 떨어지고, 공기 흐름의 방향이 바뀌어 공 뒤쪽의 압력이 떨어진다. 그러면 공의 앞쪽에는 높은 압력이 나타나고, 뒤쪽에는 낮은 압력이 발생하여 큰 형상저항이 형성되므로 공은 멀리 갈 수가 없다.

공의 표면에 돌기를 주면 앞 표면에서 난류가 발생하여 공기의 섞임이 활발하게 이루어져 공기의 흐름이 바뀌는 것이 공의 뒤쪽에서만 이루어진다. 마찰저항이 증가하지만 형상저항은 현저히 떨어뜨릴 수 있게 된다.(마찰항력(마찰저항)의 영향이 10% 미만인 반면 압력항력(형상저항)의 영향은 90%)

이렇게 되면, 공의 표면을 거칠게 만들어 주면 낮은 압력이 나타나는 공의 표면이 줄어들게 되어 공의 형상저항이 감소하여 공은 멀리 날아갈 수 있게 된다.

층류(laminar)는 말 그대로 유체가 층을 이루어 흐른 다는 것이며, 천천히 흐를 때 또는 조금 빨리 흐르더라도 유체의 점성이 커서 유체가 층을 이루어 흐르듯이 흐르는 것이다.

난류(turbulent)는 막 섞이면서 유체 파티클(particle 입자)들이 예상할 수 없을 정도로 막 흐르는 것이다.

[레이놀즈수(Re=(밀도×속도×관의 직경)/점성계수)가 2300 이하면 층류, 이상이면 난류로 구분]

와류는 액체나 기체가 소용돌이치면서 흐르는, 또는 그 흐름이다.

층류와 난류 구분에 대한 실험은 1883년 레이놀즈에 의해 행해졌다. 그는 파이프를 흐르는 물에 물감을 투입해 층류유동과 난류유동을 분명히 보여 주었고, 두 흐름을 구분짓는 변수가 무엇인가를 명확하게 제시했다. 그 변수는 그의 업적을 기리어 레이놀즈수(Reynolds number)라고 불린다.

형상저항을 줄이기 위해서는 공기가 공의 표면을 부드럽게 따라 흘러야 한다. 그러나 속도가 커지게 되면 공기가 공의 표면을 따라 부드럽게 흐르지 못하고, 공의 중간쯤에서 공기의 흐름이 공의 표면에서 멀어진다. 이때 공의 중간 이후부터 공기의 속도가 급격하게 떨어짐과 동시에 공기의 흐름의 방향이 바뀐다.

이렇게 뭉툭한 물체의 뒤에서 공기의 흐름이 바뀌면 그 곳의 압력이 뚝 떨어지게 된다. 그래서 공의 앞면에서는 높은 압력이, 뒷면에서는 낮은 압력이 걸려 큰 형상저항이 발생하게 되고, 이로 인하여 공은 멀리 날아가지 못하게 되는 것이다. 그런데 공의 표면을 약간 울퉁불퉁하게 만들면, 공의 앞 표면에서 난류유동이 발생하게 된다. 난류유동이 발생하면 유체의 섞임이 활발하게 돼 공기의 흐름이 바뀌는 현상이 공의 뒷면에서만 일어나게 된다. 이렇게 되면 낮은 압력을 가지게 되는 공의 표면이 줄어들게 돼 공의 형상저항이 감소하게 되는 것이다. 이 원리를 이용한 것이 골프공이다. 즉 공의 표면에 작은 돌기를 줌으로써 골프공은 두 배를 날아갈 수 있는 것이다.

돌기를 만들어도 물체의 크기와 속도에 따라 저항이 감소하는 것이 있고 그렇지 않은 것이 있다. 그 가능성 여부를 판단하는 것이 바로 레이놀즈수이다.

레이놀즈수에 따라 유체의 흐름은 층류유동과 난류유동으로 구분된다. 물체의 표면에 돌기를 주어 형상저항을 감소시키는 레이놀즈수는 약 4만에서 40만 정도 사이이다.

이 범위보다 레이놀즈수가 커지거나 작게 되면 오히려 전체저항이 커지게 된다. 골프공이 날아갈 때의 레이놀즈수는 약 5만에서 15만 정도이므로 돌기를 만들어 형상저항을 줄일 수 있다.

탁구공의 레이놀즈수는 4만보다 작기 때문에 탁구공의 표면은 일부러 매끄럽게 만든다. 시속 150km의 속도를 자랑하는 박찬호 선수의 야구공의 레이놀즈수는 30만 정도이다. 이정도 또는 이보다 느린 속도의 야구공은 실밥이 저항을 줄이는데 큰 역할을 할 수 있다. 그러나 총알은 레이놀즈수가 40만보다 훨씬 크므로 거칠게 만들면 사거리가 줄어들게 된다.

도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 표면조도에 따른 레이놀즈 수와 항력계수 관계를 나타낸 것이다.

딤플(dimple)의 역할을 살펴보면, 골프공은 지름이 1.69인치이고, 무게가 0.0992 1b이다. 골프공이 티를 통해 U가 200ft/s의 속도로 날아간다고 가정할 때, 레이놀즈수(Re)는 유체의 특성속도(U)×특성길이(D)/유체의 동점성 계수(v)이다. 공기의 동점성 계수는 1.57×10^-4ft²/s이다.

즉, Re = UD/v = (200ft/s)(1.69/12ft)/1.57×10^-4ft²/s = 1.79 × 10⁵이다. 항력계수 C_D는 레이놀즈 수(Re)와 표면조도의 함수로 주어져 있다. 이에 따라 계산한바, 이 경우 골프공의 레이놀즈 수(Re)는 1.79×10⁵이다. 이때 매끈한 골프공과 딤플(dimple)이 있는 골프공의 항력계수는 딤플(dimple) 골프공의 C_D는 0.25, 매끄러운 골프공의 C_D는 0.51이다. 레이놀즈 수(Re)가 5×10⁴ 내지 3×10⁵에서 딤플(dimple) 골프공의 항력계수는 매끄러운 공의 항력계수의 1/2이다.

레이놀즈 수(Re)의 식을 다시 살펴보면, 특성길이는 같은 공을 사용하였을 때 동일하고, 유체의 동점성 계수도 거의 같은 시간 같은 장소에서 공기의 동점성 계수가 동일하다. 단지 특성속도만 차이가 있다. 즉 공기 중에서 비행하는 속도에 의하여 레이놀즈 수(Re)가 달라진다. 통상 드라이버샷의 비거리를 아이언 9번샷의 비거리의 2배로 본다. 따라서 특성속도는 2^1/2배 차이가 나고, 아이언 9번샷의 특성속도를 U=140ft/s정도로 볼 수 있다. 그러므로 드라이버샷의 레이놀즈 수(Re)가 Re_D=1.79×10⁵이라면 아이언 9번 샷의 레이놀즈 수(Re)는 Re_I=1.26×10⁵가 된다.

이 경우의 실시예를 도 2에서 해석해 보자. 골프공의 첫번째 곡선의 경우 레이놀즈 수(Re)가 0.8×10⁵ 에서 3.0×10⁵일 때 굴곡이 거의 비슷한 공의 항력계수 반값을 유지하며 안정적인 곡선을 그린다.

표면조도(relative roughness)가 5×10³으로 중앙곡선이 덜 거친 공의 곡선을 살펴보면 레이놀즈 수(Re)가 1.0×10⁵에서 2.0×10⁵으로 C_D값이 급격히 낮아지다가 1.4×10⁵에서 최소값을 가진 후 다시 상승한다. 2.0×10⁵보다 큰 상황에서는 C_D값이 골프공의 C_D값보다 커진다.

따라서 표면조도가 5×10³인보다 거친 정도가 적은 공을 제작하여 사용하면 골프공의 표면조도가 제작된 경우보다 비거리는 늘릴 수 있다. 그러나 레이놀즈 수(Re)가 1.0×10⁵에서 1.3×10 범위의 각 골프채 간의 비거리를 안정적으로 확보할 수 없게 되는 것으로 각 채 간의 비거리 간격이 급변하게 된다. 또한 레이놀즈 수(Re)가 1.3×10⁵보다 큰 경우 골프공의 표면조도가 제작된 공보다 비거리는 적어진다.

또한, 딤플(dimple)의 형상과 항력계수를 살펴보면, 표면조도는 표면의 평균선으로부터 벗어나는 골프공의 볼록한 부분과 오목한 부분의 편차의 평균값이다. 따라서 형상이 오목하거나 볼록하다는 것의 의미를 찾을 수 없다. 비행하는 물체의 표면조도는 평균값으로써 실험을 통해 얻어진 곡선인 도 1의 그래프에 의해 항력계수를 얻어낼 수 있다. 표면조도가 같은 값을 가지는 골프공은 초기속도에 의해서 비거리가 결정될 뿐, 딤플(dimple)의 형상과는 관계가 없다. 딤플(dimple)의 크기, 모양에 의해 부분적으로 표면조도가 틀리게 제작된 공들의 비행 형태는 실험을 통해서 확인할 수 있다. 즉 공의 대칭성이 공의 안정적인 비행에 영향을 미친다. 이는 부분구역의 딤플(dimple) 형태 및 크기들에 의한 표면조도들의 공 중심점에 대한 대칭 정도이다.

골프공을 연구하고 개발하는 목적은 골프공의 비거리 향상에 있다. 그러나 아직까지 이러한 비거리의 향상에 대한 골프공의 국제 표준 규격이 마련되어 있어 테스트 없이는 사용이 금지되어 있는 상황이다.

골프공의 크기는 볼 직경의 42.67mm(1.68inch)보다 적지 않는 것이어야 한다. 만일 임의로 선택한 100개의 볼을 온도 23±1℃의 조건하에서 테스트하여 볼 자체의 무게에 의하여 직경 42.68밀리미터(1.68인치)의 링 게이지를 통과한 볼이 25개 이하의 경우를 본 규격기준이다.

무게는 45.93g(1.620oz)보다 무겁지 않은 것이어야 한다.

형태는 볼이 구상대칭형의 다른 볼과는 다른 특성을 갖도록 설계 제조되거나 의도적으로 조정되어서는 안 된다.

비행속도는 R&A가 인정한 측정장치로 측정하였을 때 초속 76.2m(250ft)를 초과하여서는 안된다. 최대 오차 허용치는 2%, 볼의 테스트시의 온도는 23±1℃로 한다.

비행거리는 R&A 목록에 기록되는 골프 볼에 대한 총 거리기준의 규정에 명시된 조건하에 R&A가 인정한 장치인 USGA의 아이런 바이런에 의하여 테스트하였을 때 평균 비행거리와 굴러간 거리를 합한 평균 거리가 256m(280yd), 오차 6% 허용을 초과하는 상표의 볼은 적격으로 하여서는 안된다.

현재 골프공에 대한 표준규격은 위와 같으며, 이는 비거리의 규제를 의미한다. 비행속도 규제에서 초기속도를 초속 76.2m(250ft), 오차허용치는 2%로, 비행거리 규제에서 비행거리와 굴러간 거리를 합한 평균 거리가 256m(280yd), 오차 6%로 제한함으로써 임펙트시 공과 채의 반탄력과 해드 스피드(headspeed)의 상한선을 규제하고 있다. 즉 인간의 능력이 아닌 용품 개발에 의한 비거리를 제한한다. 공과 채가 별도로 개발되는 것 같아도 같은 규제에 의해 제한범위가 존재하기 때문에 상관관계를 가지고 개발될 수 밖에 없다.

예를 들어 초속 250ft로 드라이버샷을 했을 때(공기저항으로 비행속도는 200ft정도로 예상) 레이놀즈수는 대략 1.8×10⁵이고, 피치샷에서 뒷땅을 쳐 공이 날아가지 않았을 때 레이놀즈수는 0이다. 개인 능력에 차이가 있겠지만, 정상적인 샷이 이루어진 경우 레이놀즈수는 5×10⁴~2×10⁵일 것이다. 도 2를 살펴보면 4.0×10⁴~8×10⁴ 사이에서 항력계수가 급변하지만 이 경우 half swing이거나 콘트롤 샷일 것으로 항력계수가 크면 비거리가 더욱 작아져서 유리하다. 그리고 8×10⁴~3×10⁵사이에서는 항력계수가 일정하여 채들 간의 비거리가 등 간격을 유지할 수 있다.

현재 사용되고 있는 골프공들의 표면조도가 현재의 골프코스, 골프채, 골프용품의 성능 제한하는 규격규정의 범위 내에서 적절하고, 또한 오목한지 볼록한지 형태의 변환은 표면조도에 영향을 주지 못한다.

이제까지 본 고안에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 고안이 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 고안의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 고안에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 표면을 가진 골프공에 있어서,
   상기 표면상에 배열된 다수의 볼록한 딤플(dimple)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 골프공.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 딤플들이 규칙적인 패턴으로 배열된 것을 특징으로 하는 골프공.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 딤플들이 불규칙적인 패턴으로 배열된 것을 특징으로 하는 골프공.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 딤플들의 개수는 300 내지 500개인 것을 특징으로 하는 골프공.

Images