Sachverhalt: A. X._ soll in der Zeit von Ende Juni 1998 bis längstens am 23. Dezember 2000 seine Halbschwester A._ zehn bis zwölf Mal abends unter dem Vorwand, sie dürfe seinen Computer benützen, oder ähnlichen Versprechungen in sein Zimmer im Elternhaus gelockt und sie aufgefordert haben, sich auszuziehen. Dann habe er sich selbst ausgezogen und seinen Penis zumindest in den Scheidenvorhof von A._ eingeführt, die deshalb Schmerzen gehabt, geweint und ihn aufgefordert habe aufzuhören, worauf er aber nicht eingegangen sei. Im selben Zeitraum soll er A._ auf gleiche Weise mehr als zehn Mal in sein Zimmer gelockt haben, wo sich wiederum beide ausgezogen hätten und er A._ aufgefordert habe, seinen Penis in den Mund zu nehmen, was sie auch getan habe. Schliesslich soll er A._ in derselben Zeitspanne einmal in einem Kaufhaus auf die Toilette gefolgt sein und dort von vorne mit der Zunge ihren Genitalbereich geleckt haben. X._ bestreitet sämtliche Vorwürfe. B. Nach dem Jugendgericht Zürich sprach ihn am 16. Februar 2016 auch das Obergericht des Kantons Zürich der mehrfachen Vergewaltigung und mehrfachen sexuellen Nötigung schuldig. Von der Verhängung einer Strafe oder Massnahme sah es ab, und das Schadenersatzbegehren der Privatklägerin verwies es auf den Zivilweg. C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit dem Antrag, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich vom 16. Februar 2016 sei aufzuheben. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.