과학을 알면 컬링의 전략이 보인다고?

‘얼음 위의 체스’라 불리는 컬링은 선수들의 전략으로 승부가 가려지는 흥미로운 경기다. 양 팀은 동그란 하우스 중심 자리를 차지하기 위해 수없이 빙판을 닦으며 스톤의 속도와 방향을 조절하고 역학적인 힘을 이용해 상대방의 스톤을 밀어낸다.

스톤은 물체가 서로 충돌하는 각도를 이용한다는 측면에서 당구와 유사하다. 충돌 각도를 이용하는 당구의 과학적 원리는 컬링에도 적용된다. 당구의 과학적 원리를 알면 컬링의 전략을 세울 수 있다.

컬링과 비슷한 당구의 물리학

당구는 큐대로 큐볼의 어느 부분을 치느냐에 따라 공의 회전 운동이 달라진다. 공의 한가운데를 겨냥해 치면 공이 직진하고, 오른쪽이나 왼쪽에 치우쳐 치면 회전하면서 뻗어나간다. 왼쪽을 치면 공은 시계 방향으로 회전한다. 반대로 공의 오른쪽을 치면 시계 반대 방향으로 회전력이 생긴다.

컬링은 스톤과 브룸을 활용해 경기를 진행한다. 사진 출처 : dongasnc

컬링은 투구할 때 스톤에 회전 운동을 줄 수 있다. 스톤 손잡이를 잡고 시계방향으로 회전을 주어 투구를 하면 컬링은 오른쪽 방향으로 휘게 된다.

큐볼로 다른 공을 맞출 경우 두 공은 서로 충돌해 각각의 방향으로 움직인다. 이때 두 공이 움직이는 방향의 각을 ‘분리각’이라고 한다. 큐볼을 중심치기(회전을 주지 않고 큐볼의 중심을 쳐)하여 공을 굴렸을 때 충돌한 두 공이 움직이는 분리각의 합은 입사각(진행방향과 법선이 이루는 각도)과 반사각(공이 반사되어 되돌아오는 진행방향과 법선이 이루는 각도) 원리에 의해 이론상으로 항상 90도를 이룬다. 이때 큐로 공을 치는 힘은 적당한 힘이어야 한다. 약한 힘으로 공을 치면 두 공의 분리각은 90도보다 작아지고 센 힘으로 치면 두 공의 분리각은 90도보다 커질 수 있다.

물체 운동 방향을 예측하는 비결, 분리각

분리각을 이용하면 큐볼이 맞춰야 할 공(목적구)이 어느 부분에 부딪치는지에 따라서 두 공의 운동 방향을 예측할 수 있다. 이는 공의 두께를 다르게 하여 친다는 것인데, 과일 껍질을 깎는 것으로 비유할 수 있다. 사과 껍질을 얇게 깎으려면 사과의 바깥쪽에서 칼을 움직이고, 껍질을 두껍게 깎으려면 사과의 안쪽에서 칼을 움직인다. 이와 마찬가지로 공을 ‘얇게 친다’는 것은 큐대를 치는 방향에서 목적구의 가장자리를 맞추는 것이고, ‘두껍게 치는 것’은 큐볼과 목적구를 일직선상에 놓고 치는 것을 말한다.

당구공에 적용되는 물리는 컬링에도 동일하게 작용된다. 사진 출처: dongasnc

큐볼이 목적구를 두껍거나 얇게 치면, 목적구는 큐볼 중심점으로부터 목적구 중심점을 연결한 직선 방향을 따라 움직인다. 목적구의 분리각은 큐볼이 충돌 전 진행하던 방향과 목적구가 이동한 방향이 이루는 각이다. 반면 큐볼은 목적구와 충돌 후 원래 진행 방향에서 목적구와 90도 각을 이루는 방향으로 꺾인다.

다른 물리적인 힘을 무시한 이론상에서 큐볼의 운동 방향과 30도의 각도로 목적구가 충돌했다면 큐볼의 운동량 중 30도 방향의 성분이 목적구에게 이동해 운동되고 나머지 60도 방향의 운동량만으로 큐볼이 꺾여 움직인다. 두 공의 분리각의 합은 90도로 일정하게 유지된다. 예를 들어 목적구를 가장 얇게 친다고 가정하면 목적구의 분리각은 90도가 되며 왼쪽 수직방향으로 꺾이고 큐볼의 분리각은 0도로 그대로 직진한다. 또 목적구를 일직선상에 놓고 제일 두껍게 치게 되면 큐볼의 운동량은 모두 목적구에 전달되어 충돌자리에 정지하고 목적구는 직선으로 뻗어나간다. 즉 두께가 얇아질수록 목적구는 분리각이 커지므로 많이 꺾여 굴러간다.

이론과 실제의 차이

이 이론대로라면 당구나 컬링은 너무 쉬워 보인다. 각도 계산만 하면 원하는 방향으로 공을 잘 보낼 수 있기 때문이다. 하지만 실제로 운동하는 물체가 충돌 후 다른 물체로 운동량이 오롯이 다 전달되는 완전탄성충돌상태가 되기는 힘들다. 컬링의 경우 스톤은 완전탄성충돌체가 아니며, 다른 스톤과 탄성 충돌 시 분리각의 합은 90도에서 차이가 나게 된다.

또 공이 회전하면서 전진하는 경우 충돌 후 일어나는 분리각의 합은 90도보다 커지거나 작아지는 현상이 나타난다.

그럼 회전하는 공이 탄성 충돌을 하게 되면 어떻게 움직일까? 다시 큐볼의 예를 들면, 회전력을 가진 큐볼이 목적구를 충돌하는 아주 짧은 순간에는 전달받은 충격력만큼 90도 방향으로 운동하려고 하다가 바로 큐볼의 회전력이 운동에 영향을 끼친다. 충돌 직후 커브 현상이 일어나 방향이 전환된다. 회전력의 효과가 일정해지면 공의 진행도 직선 형태로 움직인다. 순간적인 이 휘어지는 현상 때문에 전환 운동이 일어나면서 분리각이 90도보다 커지거나 작아지는 것이다.

이처럼 당구의 역학적인 운동 원리를 잘 이해하면 컬링에서도 스톤의 움직임을 예측할 수 있다. 이론상 나타나는 분리각과 컬링의 특성을 잘 이해하여 컬링의 역학적 운동을 파악해야 한다.

컬링의 경우 스톤의 움직임은 당구보다 마찰력의 영향을 더 크게 받는다. 선형, 회전 운동을 하던 스톤이 얼음판과의 마찰력 때문에 속도가 줄어들면 앞으로 나아가려는 힘보다 회전력이 상승하면서 휘어진다. 선수들은 스위핑을 통해 이 마찰력을 조절하여 스톤의 속도와 방향을 바꾼다. 스톤이 다른 스톤과 충돌할 경우도 스톤의 회전력을 고려하여 이론상의 분리각과 다른 각도의 차이를 생각해야 한다.

이처럼 스톤에 작용하는 물리력의 이해는 컬링의 전략을 짜는데 필수적이다. 컬링 선수들에게는 당구의 각도 감각, 스위핑의 기술과 체력 등이 필수적으로 요구된다. 컬링 경기에서 선수들은 머리를 맞대고 작전을 짜는 모습을 자주 볼 수 있다. 작전을 짜며 경기를 집중력 있게 끝까지 이끌어가야 하는데 그 이유는 컬링은 마지막 한 개의 스톤으로도 얼마든지 결과가 뒤집어 질 수 있기 때문이다. 2팀이 던진 15개 스톤의 결과는 16번째 마지막 스톤을 던지기 전까지 누구도 예측할 수 없다. 마지막 팀의 짜릿한 역전 샷은 컬링의 묘미 중 하나다.

컬링이 전략적인 경기를 치러야 하는 만큼 선수들의 소통도 승부를 가르는 데 중요한 요소가 된다. 컬링 선수들은 서로 간의 소통을 위해 마이크를 차고 경기를 하며, 선수들의 대화 내용은 방송 중계로 함께 들을 수 있다.

마찰력을 십분 활용하는 컬링에서 스위핑 기술이 중요한 만큼 한 쪽에서는 다양한 브러시에 대한 연구가 한창이다. 한국체육과학연구원은 스위핑으로 얼음의 온도가 어떻게 변하는지 관찰하여 스톤의 이동거리와 방향을 연구하고, 적은 힘으로 얼음 표면 온도를 높일 수 있는 다양한 브러시를 개발하고 있다.

컬링에 대해 알면 알수록, 독특하고 신기한 컬링의 매력을 발견할 수 있을 것이다. 평창 동계 올림픽에서 컬링에 주목해 보자.

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(출처 : 과학기술정보통신부 · 한국과학창의재단)