360도 회전 롤러코스터 왜 추락않나

이번 어린이날 연휴에는 자녀와 함께 즐거운 과학의 세계에 흠뻑 빠져보자. 자녀와 함께 가까운 놀이공원에 가거나 교외에서 인라인스케이트를 타면서 스릴을 즐기고 과학원리도 체험하는 것은 어떨까. 한국물리학회의 대중 학술지인 '물리학과 첨단기술' 등에 발표된 내용을 중심으로 놀이의 과학에 대해 알아본다.

＃롤러코스터와 바이킹 = 놀이기구를 대표하는 롤러코스터와 바이킹에는 원심력과 무중력,진자 운동 등 다양한 과학 원리가 숨어있다.

롤러코스터는 에너지보존의 법칙과 원심력 등을 이용한 놀이기구.

처음 모터에 의해 느린 속도로 일정한 높이로 끌어올려진 후(위치에너지 최대) 중력에 의해 아래로 떨어지면서 점점 속도가 빨라진다(위치에너지가 운동에너지로 바뀜). 그러면 롤러코스터가 360도 회전을 해도 떨어지지 않는 것은 무엇 때문일까. 이는 원 바깥으로 달아나려는 원심력이 구심력 등과 일치하기 때문이다. 물이 든 양동이를 끈에 매달고 돌리면 물이 쏟아지지 않는 것과 비슷한 원리다.

바이킹은 배의 모양을 한 놀이기구로 시계추처럼 양옆으로 흔들리는 진자운동을 한다. 최고점에서 내려오는 순간 탑승자들은 가슴이 철렁거리는,중력이 없는 듯한 상태를 경험하게 된다.

롤러코스터와 바이킹은 또 가속도가 시시각각으로 변하면서 사람들에게 짜릿한 위험을 선사한다. 롤러코스터는 가속도의 방향 변환으로,바이킹은 가속도의 크기변화로 각각 짜릿함을 제공한다.

＃인라인스케이트 = 최근 공원이나 골목 등에서 인라인스케이트를 즐기는 사람들을 많이 볼 수 있다. 어린이뿐 아니라 남녀노소 가릴 것 없이 누구나 즐기고 있다.

인라인스케이트를 자세히 살펴보면 마찰력을 비롯해 작용·반작용 구심력 등 다양한 과학 원리가 곳곳에 숨어 있다.

초보자는 인라인 스케이트를 신고 일어서기도 쉽지 않다. 두 발을 V자로 벌리면 앞으로 나아가려는 힘이 옆으로 분산돼 미끄러지지 않기 때문에 잘 넘어지지 않는다.

걸음마 단계를 넘어서면 활주법을 익혀야 한다. 이 때 한발을 비스듬히 뒤쪽으로 미는 경우보다 옆으로 지면을 밀면 훨씬 효과적이다. 이는 옆으로 지면을 밀면 바퀴와 지면 사이의 마찰력이 크게 작용해 앞으로 손쉽게 나아갈 수 있기 때문이다.

달리는 방법을 배우고 나면 방향 전환하는 법을 익혀야 한다. 회전하려는 방향으로 몸(무릎)을 기울이면 인라인스케이트는 바깥쪽으로 미끄러지려고 하면서 지면을 밀게 된다.

이 힘의 반작용으로 인라인스케이트를 안쪽으로 미는 마찰력이 생기게 된다. 이 마찰력이 구심력 역할을 해 안쪽으로 회전이 일어난다.

＃급류타기 등 = 물 위를 미끄러져 내려오는 놀이기구인 급류타기에서는 '상대성'에 대한 개념을 배울 수 있다. 배를 탄 사람의 입장에서는 물이 정지해있는 것처럼 보인다. 그러나 실제로는 물이 흐르면서 배가 이동하는 것이다.

놀이공원 등에서 놀이기구의 아찔함과 속도감을 즐기는 사람이 있는 반면 공포감 때문에 탈 엄두를 내지 못하고 구경하는 사람도 많다. 왜 사람마다 차이가 있을까. 스위스 연구팀에 따르면 겁이 많은 사람은 뇌 속에 두려움을 조절하는 화학물질이 부족할 가능성이 높기 때문이라고 한다.

과학교육전문가들은 학부모가 자녀들에게 무조건 처음부터 전문용어를 사용하거나 놀이의 과학원리를 가르치려들지 말라고 경고한다. 자녀 수준에 맞게 설명해주고 스스로 해답을 찾도록 호기심을 유도해야 한다. 또 자녀의 친구들과 함께 놀이의 과학원리를 알아 맞추도록 하면 어린이들의 경쟁심을 불러 일으켜 보다 즐겁게 보낼 수 있다.

임원철기자 wclim@busanilbo.com