“롤러코스터가 중간에 멈추면 어떻게 해?”, “바이킹의 안전바가 갑자기 풀려 버린다면?”

야외활동이 늘어나는 4월, 놀이공원의 계절이 돌아왔다. 만일 당신이 유난히 놀이공원의 놀이기구를 무서워 하는 사람이라면? 엄청난 상상력을 발휘해 일어나지 않을 일을 미리 걱정하는 사람이라면?

그래도 걱정은 없다. 놀이기구에 숨어 있는 과학을 생각해보는 것! 알고 타면 더 재미있는 놀이기구 속 과학으로 빠져들어 보자. 

좋아하는 놀이기구 속 물리법칙을 미리 찾아보고, 배운 것을 직접체험해 본다면 어느새 두려움은 모두 사라져 버릴테니까.

위에서 아래로 저절로 떨어지는 롤러코스터

롤러코스터는 굉음을 내며 고속으로 질주하며 짜릿한 스릴을 전해준다. 하지만 정작 기계가 하는 일은 열차를 레일 꼭대기에 올려놓기 위해 전력을 공급하는 것 뿐이다. 그 다음부터는 아무것도 하지 않아도 중력에 의해 저절로 아래로 떨어진다.

이는 위치에너지와 운동에너지의 관계 때문이다. 일정한 높이에서의 중력에 대한 위치에너지가 운동에너지로 변화하여 점점 속력이 빨라지는 것이다.

더 자세히 알아보자. 물체의 위치에너지와 운동에너지를 더한 것을 역학적 에너지라고 하는데, 이 역학에너지의 합이 항상 일정하다는 것이 ‘역학에너지 보존의 법칙’이다.

위치에너지가 클 때, 즉 물체가 높은 곳에 있을 때 운동에너지는 작아지고, 위치에너지가 작아지면 운동에너지가 커지면서 물체의 속력이 빨라진다. 일단 열차를 높은 곳에 올려놓아 위치에너지를 극대화시키면, 열차는 정해진 코스를 돌아 점점 아래로 내려오면서 위치에너지는 감소하고, 속도가 점점 빨라져 운동에너지는 증가하면서 속도감을 느끼는 것이다.

실제 롤러코스터를 타는 동안 극대화된 스피드를 느끼는 순간은 열차가 지면에 가까워지는순간이라는 것을 알 수 있다. 롤러코스터가 운행되는 동안, 공기의 저항과 레일과 열차 사이에 마찰이 없다고 가정하면 위치에너지와 운동에너지의 총량은 변하지 않고 일정하게 유지된다.

그런데 롤러코스터가 아래로 떨어질 때는 왜 추락하지 않을까. 그 이유는 지구가 당기는 힘보다 더 큰 힘을 작용해 지표면에 떨어지지 않는 원리를 이용하는 것이다. 그 힘은 바로 원심력이다.

원심력은 원운동을 하고 있는 물체에 나타나는 관성력이다. 구심력과 크기가 같고 방향은 반대이며, 원의 중심에서 멀어지려는 방향으로 작용한다. 롤러코스터에 탈 때, 버스가 커브 길을 돌 때 그 안에 있는 우리는 힘이 작용한다고 느끼지만 실제로 존재하는 힘은 아니다.

무중력 상태를 경험하게 하는 바이킹

바이킹은 돛대를 고정해놓고 그에 연결된 배가 같은 장소를 오고가는 왕복운동을 하는 놀이기구다. 그네와 시계추와 비슷한 이런 왕복운동을 ‘진자운동’이라고 한다.

진자는 중력의 영향 하에서 전후로 자유롭게 움직일 수 있도록 한 점에 고정되어 매달려 있는 물체를 말한다. 이 물체가 움직이는 것을 진자 운동이라 하며, 만약 진자 운동 중에 마찰력이 작용하지 않는다면 진자는 일정한 주기로 영원히 움직일 것이다.

진자 운동에서 진자가 한 쪽 끝에서 반대편 끝까지 도착하는데 걸리는 시간을 ‘진자의 주기’, 진자 운동의 폭을 ‘진폭’이라고 한다.

진자의 주기는 진자의 질량이나 진폭과 상관없이 진자의 길이에만 영향을 받는다. 즉, 바이킹에 사람이 많이 타건 적게 타건, 기계가 바이킹의 높이를 더 높게 올리든 낮게 내리든 상관없이 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 가는데 걸리는 시간은 항상 같다.

진자 운동의 이 같은 특징은 시계추를 단 시계가 일정한 속도로 가게 한다. 진자 운동을 응용한 메트로놈은 일정한 박자를 맞출 때 사용한다. 갈릴레오는 일정한 주기로 움직이는 진자를 보며 맥막을 셀 수 있는 맥막계를 발명했다.

물론 바이킹에서도 위치에너지와 운동에너지는 작용한다. 바이킹이 가장 높은 곳에 올라갔을 때 잠시 멈추는데, 이때 위치에너지는 가장 크고 운동에너지는 가장 작다. 그리고 바이킹이 다시 내려올 때는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌면서 속도가 점점 빨라진다. 그래서 낮은 곳, 즉 중앙지점을 통과할 때 속도는 가장 빠르다.

바이킹 역시 기계적인 힘은 필요하다. 배 밑에 모터가 연결된 롤러가 있는데 왕복 시킬 때마다 시간에 맞춰 배의 밑 부분을 밀어주는 것이다. 올라간 배는 중력에 의해 내려오고 롤로가 다시 위로 보내는 것이 바이킹의 원리다.

특히 가장 높은 곳에 올라갔다가 내려올 때 몸이 붕 뜨면서 무서움이 느껴지는 이유는 우리가 순간적으로 무중력 상태(weightless state)를 경험하게 되기 때문이다. 무중력 상태는 영어로 weightless state,즉 ‘무게가 없는 상태’를 의미한다.

평상시 우리는 중력과 수직항력을 동시에 받고 있다. 중력으로 인해 발로 바닥을 ‘누르는 힘’이 발생하는데, 이 누르는 힘의 반작용이 곧 수직항력이다. 수직항력은 누르는 힘의 반작용이며 중력과 평형 관계에 있다. 우리는 중력과 수직항력을 동시에 받는다.

그런데 만약 공기 저항이 없는 상태에서 자유 낙하하는 중이라면 바닥을 누르는 힘이 없기 때문에 그 반작용인 수직항력 또한 작용하지 않는다. 즉 우리 몸에는 오로지 중력만 작용하게 되는 것이다. 이 상태를 무중력상태라고 한다.

우리는 지구상에서 실제로 무중력상태를 경험할 순 없지만, 마치 무중력이 된 듯한 착각을 느낄 때가 있다. 롤러코스터나 바이킹을 타고 밑으로 떨어질 때는 물론, 차가 빠른 속력으로 언덕을 뛰어넘을 때 느끼는 느낌 등은 모두 무중력이라서가 아니라 바로 수직항력이 없기 때문에 느껴지는 것이다. ....<계속>

윤수영 사이언스올 편집위원