과학이 만들어낸 아찔한 놀이기구의 스릴

항상 지루하게만 느껴졌던 책 속의 과학. 그러나 우리가 자주 가는 놀이공원 과학 원리의 전당이라는 사실을 아세요? 구르고 회전하고 떨어지는 놀이기구의 운동은 기본적으로 뉴턴의 운동법칙을 따르고 있습니다. 그럼 저와 함께 놀이기구 안에 숨은 과학 원리를 찾아볼까요?

롤러코스터 = 에너지보존의 법칙 + 원심력

한가한 일상에서 벗어나 간만에 친구들과 놀이공원에 놀러간 한가인(가명, 22세) 양. 롤러코스터를 타려고 긴 줄을 기다리다가 드디어 탑승!! 그런데 흥분되는 마음에 안전벨트를 매지 않았다.......?!

이론적으로만 보면 롤러코스터에서 안전벨트를 매지 않아도 떨어지지 않는다고 합니다. 여러분은 롤러코스터를 탈 때  거꾸로 매달려 있어도 떨어지지 않는게 신기하신 분 안 계셨나요? 거꾸로 매달려도 떨어지지 않는 이유는 롤러코스터가 원운동을 하기 때문입니다. 

원운동이 무엇이냐면, 물체가 바깥으로 달아나려고 하는 원심력과 원의 중심으로 물체를 끌어당기는 구심력이 함께 작용하는 것을 말하는데요. 롤러코스터 안의 사람은 구심력과 지구의 중력을 함께 받고 있지만 반대방향으로 같은 크기의 원심력을 동시에 작용 받기 때문에 떨어지지 않습니다. 

롤러코스터는 처음 출발할 때는 전동기로 일정한 높이까지 끌어올려 최대의 위치 에너지를 갖게 됩니다. 처음 모터에 의해 느린 속도로 일정한 높이로 끌어올려진 후(위치에너지 최대) 중력에 의해 아래로 떨어지면서 점점 속도가 빨라집니다. (위치에너지가 운동에너지로 바뀜)

위치에너지 : 

자전거를 타 보신 분들은 언덕위에 올라가면 페달을 전혀 밟지 않고도 힘들이지 않고 자연스럽게 자전거가 내려가는 경험을 해보셨을 것입니다. 힘없이 자전거를 내려가게 만드는 힘이 위치에너지 입니다. 정상에서의 위치에너지가 내려올 때 운동에너지로 바뀌면서 달리게 되는 것이죠!

그렇다면 롤러코스터가 360도 회전을 해도 떨어지지 않는 것은 무엇 때문일까요? 이것은 원운동 때문입니다. 원 바깥으로 달아나려는 원심력이 구심력 등과 일치하기 때문입니다. 물이 든 양동이를 끈에 매달고 돌리면 물이 쏟아지지 않는 것과 비슷한 원리입니다. 

에너지란 결국 운동에너지와 위치에너지를 합으로 롤러코스터는 정상에 오르는 동안 위치에너지를 갖게 되고, 중력에 의해 내려올 때는 이 위치에너지가 운동에너지로 바뀌면서 속도가 생기게 되는 것이죠. 이때 롤러코스터가 갖는 에너지는 운동에너지와 위치에너지의 합이므로 언제나 일정합니다. 

따라서, 위치에너지가 가장 큰 지점에서 속력이 가장 느리고, 위치에너지가 가장 작은 지점에서 속력은 가장 빠르답니다. 롤러코스터의 가장 빠른 속도는 시속 83km 정도이며, 가장 느릴 때는 시속 45km 정도라고 합니다. 생각보다 빠르죠?

상승과 낙하의 숨은 과학! 자이로드롭

높이 올라갔다가 순식간에 떨어지는 자이로드롭 타보셨나요? 자이로드롭은 높이 70m까지 끌어올린 다음 시속 90km의 속도로 자유낙하를 하여 무중력 상태를 느낄 수 있는 놀이기구 인데요. 앉아 있는 사람은 잠시 공중에 몸이 붕 뜬 것 같은 상태를 느낄 수 있죠. 지상에서 25층 높이로 사람들을 끌어올렸다가 88㎞/h 속도로, 2.5초 만에 떨어뜨리는 자이로 드롭. 과연 이 거대한 힘은 어디서 나오는 것일까요? 그것은 바로 자기장의 힘입니다.

자기장은 우리가 가지고 놀던 자석의 N극과 S극을 이용한 힘 이라고 생각하면 되는데, 우리가 과학시간에 사용했던 자석은 그 힘이 매우 적지만, 자이로드롭에 사용되는 자기장은  영구자석의 ‘와전류 방식’이용한 것이라서 그 힘이 강 합니다.

영구자석의 '와전류 방식'이란 자석의 N극과 S극 사이에 전류가 통하는 금속을 넣으면 순간적으로 전류가 흐르면서 금속이 자석의 성질을 띄게 되는데. 이때 발생하는 금속의 자기장은 자석의 자기장과 서로 밀어내려는 성질, 즉 반발력을 갖습니다. 그 강한 반발력에 의해 자이로드롭은 순간적으로 멈추게 되는 것입니다. 

또한 자이로드롭을 탈 때 우리가 경험하는 느낌은 내려올 때 다리가 들리게 되면서 땅으로 꺼지는 듯 한 기분이 드는데요. 자이로드롭을 타면 내려올 때 다리가 들리는 느낌은 다리 아래쪽에 생긴 고기압 때문입니다. 탑승의자가 고속으로 떨어지게 되면 의자 밑의 공기가 밖으로 밀리면서 탑승자들의 다리 밑은 순간적으로 고기압 상태가 됩니다. 고기압은 저기압으로 흐르는 성질이 있어 공기는 아래에서 위로 흐르게 되고, 이 때 탑승자들의 다리는 들어 올려 지게 되는 것입니다. 

멈출 때 땅으로 꺼지는 느낌이 드는 이유는 탑승의자가 가지는 가속도 때문입니다. 탑승의자의 가속도(평균 17m/sec2)는 우리가 일반적으로 느끼는 중력가속도(9.8m/sec2) 보다 커 평소보다 중력을 크게 느끼기 때문입니다. 이렇게 자이로드롭에는 자기장, 가속도의 원리 등이 포함되어 있습니다.

나도 갈릴레오처럼? 바이킹!

바이킹을 타려고 줄을 설 때면 사람들이 항상 양쪽 뒷편에 타려고 해서 중간부분에는 자리가 비고, 양쪽 끝부분에는 자리가 빨리 차는 걸 볼 수 있습니다. 스릴을 즐기는 한가인(가명, 22세)양도 뒤쪽부분에 타려고 기다리고 있었는데, 같이 온 김태희(가명, 22세) 양이 "야~ 어차피 한 배 타는 건데 차이 별로 크지 않으니까 중간에 타자." 이 말에 스릴의 차이가 별로 크지 않나? 라고 궁금해 하고 있는데.....

바이킹을 보다 스릴 있게 즐기려면 배의 양쪽 뒷부분에 타시는 것이 좋다고 합니다. 그 이유는 배의 끝부분이 가운데보다 24도 정도 더 기울어질 뿐만 아니라 높이도 5m가량 더 높이 올라가기 때문 입니다. 그러므로 올라갔다가 떨어질 때 생기는 가속력을 양쪽 끝자리가 가장 많이 받습니다. 그만큼 스릴도 더 커지겠죠?

기둥에 매달린 배가 양쪽으로 왕복 운동하는 바이킹은 시계추나 그네의 원리와 같은 진자의 운동을 이용한 것입니다. 배가 왕복 운동하는 동안 배와 사람은 같은 속도로 낙하하게 됩니다. 즉 안에 있는 사람은 배가 자신을 떠받치지 않고 붕 뜬 상태에서 같이 낙하하기 때문에 짜릿한 전율을 느낄 수 있는 것입니다. 

by Juan Pablo.

여기서 퀴즈!

Q 그네에 혼자 탄 쪽과 둘이 탄 쪽을 비교하면 어느 쪽의 왕복 시간이 더 짧을까요? 

그네의 왕복 시간은 두 경우 모두 똑같습니다. 

Q 한 사람은 머리끝까지 올라갔다가 내려오고 다른 사람은 조금만 흔들면서 탄다면 누가 더 빨리 움직일까요? 

놀랍게도 이 경우에도 둘 다 왕복 시간은 같다고 하네요. 이를 ‘진자의 등시성’이라고 부릅니다. 400여 년 전 갈릴레이에 의해 발견된 이 ‘진자의 등시성’은 바이킹에도 적용되어 왕복시간은 높이 올라가든 낮게 올라가든 똑같답니다. 또한 바이킹에는 움직이고 있는 것은 계속 움직이려는 관성의 법칙이 작용하고 있습니다.

Q 바이킹에 왕복운동의 동력은 어디서?

바이킹을 움직이는 것은 흔히 생각하는 것처럼 위쪽의 배를 매달고 있는 장치가 아니라 배의 밑바닥에 있는 두 개의 모터에 의한 것으로, 2개의 모터가 왼쪽, 오른쪽으로 돌면서 배를 왕복운동하게 하는 것입니다.  

왕복운동이 진행되면서 바이킹은 점점 높이 올라가게 되는데, 이는 배의 밑바닥에 있는 2개의 바퀴가 회전속도를 점점 높이기 때문입니다. 즉, [ㅅ]자 모양의 기중 접합부에 붙어 있는 센서(자동 감지기능을 갖춘 센서)가 배의 높이를 감지해서, 배의 높이가 높으면 바퀴의 회전 속도를 느리게 하라는 신호를, 배의 높이가 낮으면 바퀴의 속도를 빠르게 하라는 신호를 보내 바퀴의 회전속도를 조절함으로써 배의 높이를 조절하는 것이죠. 

Q 배의 동작이 커져서 배가 너무 높이 올라가 뒤집어지지는 않을까?

바이킹에는 엔코더라고 하는 배의 높이를 감지하는 장치가 붙어 있습니다. 이 장치는 배가 75도 이상 올라가게 되면 자동으로 바퀴에 속도를 늦추라는 신호를 보내기 때문에 배가 뒤집어질 정도로 너무 높이 올라가는 경우는 절대로 없답니다. 그러니 걱정 없이 바이킹을 즐기면 되겠죠.

Q 놀이기구의 아찔함과 속도감에 대한 공포감 때문에 탈 엄두를 내지 못하는 사람이 많은데 왜 사람들마다 놀이기구를 즐기는 경향이 다른 것일까요?

스위스의 한 연구팀의 연구결과에 따르면 겁이 많은 사람은 뇌 속에 두려움을 조절하는 화학물질이 부족할 가능성이 높다고 합니다. 결국 무서운 것을 못 타는 사람은 엄살이 아니라 화학물질이 부족하기 때문이라는 이야기인데요. 그러니 놀이기구는 자신의 기호에 맞게 타는 것이 중요하겠죠.

올겨울 놀이공원을 가실 계획이 있다면 곳곳에 숨어있는 과학원리를 발견하는 기쁨도 함께 즐겨보시는 건 어떨까요?

재규어 | IDEA팩토리 주현진 기자 | mapica@hanmail.net
무라카미 하루키가 인생은 비누같은 것이라 처음엔 잘 닳지 않다가 어느정도 일정한 크기가 되면 확 닳게 되는것이 느껴진다고.. 1.7배의 경험으로 열심히 살겠습니다.

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