[알고 타면 더 재미있는 놀이기구 속 과학 ②] 자이로드롭, 회전목마


 


나를 ‘놓아버리는’ 자이로드롭


 


높은 곳에서 떨어뜨리는 자유 낙하 운동 자이로드롭의 가장 짜릿한 순간은 기구가 기둥 끝까지 올라간 사람과 곤돌라를 ‘놓아버리는’ 때다. 이때 사람은 지구 중심 쪽으로 작용하는 ‘중력’의 영향을 받아 아래로 떨어지는데, 물체가 중력의 영향만을 받아 아래로 떨어지는 것을 ‘자유 낙하 운동’이라고 한다.


 


자유 낙하 운동은 ‘만유인력의 법칙’으로 설명할 수 있다.


 


떨어지는 사과를 보고 착안했다고 알려진 만유인력의 법칙은 중력에 대한 법칙이다. 중력은 질량이 있는 두 물체가 서로 끌어당기는 힘으로써 우주에 존재하는 모든 물체 사이에는 서로 잡아당기는 힘, 즉 만유인력이 작용한다.


 


나와 친구 사이, 책상과 의자 사이에도 잡아당기는 힘이 존재한다. 평소에 이 힘을 느끼지 못하는 것은 만유인력의 법칙이 ‘질량’에 비례하기 때문이다.


 



 


사람은 질량이 작아 만유인력이 미미하게 작용하지만 지구처럼 질량이 큰 물체는 만유인력이 크다. 때문에 사과는 나무에서 벗어난 순간 땅으로 추락했고, 인간이 지구 표면에 붙어 살아가고 있으며, 달이 지구 주변을 벗어나지 못하고 공전하는 것이다.


 


‘무게가 없는’ 무중력 상태 자이로드롭이 사람을 ‘놓아 버리면’ 사람은 무중력 상태를 경험하게 된다. 자이로드롭이 사람을 받치고 있는 곤돌라를 놓아 버리면, 곤돌라는 중력의 영향만 받는 자유낙하 운동을 하게 된다.


 


이때 사람이 동전을 공중에 꺼내 놓는다면 어떤 일이 발생할까. 동전은 사람과 거리를 일정하게 유지한 채 사람과 같은 속도로 자유 낙하를 할 것이다.


 


떨어진 자이로드롭은 바닥에 닫기 전에 멈춰서는데 여기에는 자석의 원리가 들어간다. N극과 N이 서로 밀어내고, S극과 S극이 서로 밀어내는 척력을 이용하는 것이다.


 


자석의 N극과 S극 사이에 전류가 통하는 금속을 넣으면 순간적으로 금속이 자석의 성질을 갖게 되는데, 자이로드롭 의자 뒤 자석과 아래 금속판이 만나면 바닥에 닫기 전에 안전하게 멈춰설 수 있다.


 


한쪽으로 돌아가는 회전목마


 


겨울 스포츠의 꽃 쇼트 쇼트트랙 경기를 보면 재미있는 사실을 발견할 수 있다. 경기 도중 선수들이 코너를 돌 때 약속이나 한 듯 똑같이 취하는 자세가 있다는 것인데, 바로 한 손으로 빙판을 짚거나 짚는 시늉을 하고 몸을 기울이는 것이다.


 


왜 선수들은 이런 자세로 스케이트를 탈까?


 


이유는 ‘원심력’을 줄이기 위해서다. 속도를 줄이기 않기 위해 몸을 원 안쪽으로 최대한 기울여 중심을 낮추는 것이다. 원운동을 하고 있는 물체에 나타나는 관성력이다. 원의 중심에서 멀어지려는 방향으로 작용한다. 


 



 


놀이공원의 회전목마도 이와 비슷한 과학적 원리가 숨어 있다. 목마가 빙글빙글 돌기 시작하면 우리 몸 속에 있는 피가 한쪽으로 쏠려 약간 오묘한 기분이 느껴진다. 일종의 쾌감이라고 할 수 있는 것이다. 피가 한쪽으로 쏠리는 이유도 바로 원심력 때문이다.


 


이와 반대로 움직이는 힘도 함께 작용한다. 바로 ‘구심력’이다. 구심력은 원심력과 반대로 원의 중심 방향으로 작용하는 힘을 말한다. 즉 회전목마를 탔을 때 기구 밖으로 우리를 날아가게 만드는 힘이 원심력이고, 날아가지 못하도록 붙잡고 있는 힘이 구심력이다. 즉 사람이 지구의 표면에 붙어 있게 하는 중력도 구심력의 하나로 볼 수 있다.


 


회전목마는 기계장치로 구심력을 만들어 원운동을 시킨다. 운동의 방향이나 빠르기를 변화시켜 계속 같은 방향으로 돌도록 하는 것이다.


 


그렇다면 회전목마를 탈 때 원심력을 가장 크게 느낄 수 있는 자리는 어디일까? 물론 가장자리다. 한 바퀴를 돌 때 안쪽에 있는 말과 바깥족에 있는 말의 움직이는 거리는 차이가 난다. 그러나 한 바퀴를 도는 시간은 언제나 같다. 이는 밖의 말의 속도가 더 빠르다는 것과 같다. 원심력은 속도에 비례해 커지기 때문에 밖에 있는 말을 타면 더 큰 원심력을 느끼게 되는 것이다. <끝>


 


 


 


 


윤수영 사이언스올 편집위원