[신나는 과학이야기] 사이클 전용 트랙이 경사진 까닭?

사이클이나 경륜 경기장은 2개의 직선 주로에 연결된 2개의 곡선 주로로 돼 있다. 직선 주로는 보통의 다른 경기장처럼 평평하게 되어 있거나 약간의 경사가 있지만 곡선 주로는 40도에 가깝게 경사져 있다. 이렇게 주로(走路)를 비탈지게 만든 사이클 전용 경기장을 벨로드롬(Velodrome)이라고 한다. 이런 경사가 벨로드롬에만 있는 것은 아니다. 자동차 성능시험장의 트랙이나 인라인스케이트, 봅슬레이 같은 운동 경기장의 코너 부분과 고속도로나 철로의 곡선부분 등 빠른 속도로 회전을 해야 하는 곳에서는 쉽게 볼 수 있다.

그런데 왜 벨로드롬의 트랙은 바깥쪽은 높게, 안쪽은 낮게 만들어져 있는 것일까?

이유는 바로 구심력 때문이다. 구심력이란 물체가 회전운동을 유지할 수 있게 회전 중심 방향으로 당겨주는 힘을 말한다. 그래서 회전운동하는 모든 물체에는 구심력이 작용한다. 지구 주위를 도는 인공위성과 쥐불놀이할 때 빙글빙글 도는 깡통에도 구심력이 작용하며, 놀이터에 있는 뺑뺑이를 타고 빙글빙글 회전운동을 할 때도 마찬가지다.

모든 회전운동에서 구심력이 하는 역할은 중심 방향으로 물체를 당기는 것으로 같지만, 어떤 힘이 구심력 역할을 하는지는 상황에 따라 다르다. 지구 주위를 돌고 있는 인공위성에 작용하는 구심력은 인공위성에 작용하는 만유인력이며, 쥐불놀이에서 빙글빙글 돌고 있는 깡통에 작용하는 구심력은 줄(철사)이 중심 방향으로 잡아당기는 장력이 된다. 놀이터에 있는 뺑뺑이를 타고 회전할 때 작용하는 구심력은 사람의 신발 바닥과 뺑뺑이 사이에 작용하는 마찰력으로 평평한 지면에서 자동차가 회전할 때 구심력으로 마찰력이 작용하는 것과 같다.

이렇듯 회전운동을 하기 위해서는 구심력이 필요한데 사이클이나 경륜, 인라인스케이트, 봅슬레이와 같은 빠른 회전을 해야 하는 경기와 고속도로에서 빠른 속력으로 달리며 회전을 해야 하는 자동차에는 마찰력 이외에는 구심력 역할을 할 수 있는 힘이 없다. 그래서 마찰력에만 의존하여 회전운동을 해야 하는데 마찰력이 충분하지 않을 경우 빠른 속력으로 회전하지 못하고 원심력에 의해 튕겨나가게 된다.

벨로드롬의 트랙을 경사각 없이 육상 경기장의 트랙과 같이 평평하게 만들어서 경기를 하게 될 경우, 회전운동에 필요한 구심력을 마찰력에만 의존해야 하므로 많은 어려움과 위험이 따른다. 때문에 벨로드롬의 곡선 주로와 고속도로의 곡선부분은 바깥쪽이 높고 안쪽이 낮게끔 경사지게 만드는 것이다. 이렇게 하면 물체에 작용한 힘 중에서 지면이 물체를 수직으로 밀어올리는 수직항력이 경사각만큼 안쪽으로 기울어지면서 힘의 일부가 회전운동의 중심 방향을 향하게 된다.

빠른 속력으로 회전해도 바깥으로 튕겨나가지 않거나 안쪽으로 기울어져 넘어지지 않기 위해서는 적절한 경사각이 필요한데, 벨로드롬의 경사각은 곡선 주로를 달리는 사이클의 평균 속력을 기준으로 결정된다. 또한 고속도로에서 곡선 부분의 경사각은 규정 속도에 맞게 경사면이 만들어져 있으므로 곡선 주로를 달릴 때는 반드시 규정 속도를 넘지 않아야 원심력에 의한 사고를 방지를 할 수 있다.

이세연 명덕고 교사