놀이기구속의 과학원리

봄 기운이 완연해지면서 아이들이나 연인·친구들과 놀이동산으로 나들이 계획을 짜는 사람들이 많을 것이다. 놀이동산의 압권은 뭐니뭐니해도 스트레스를 한방에 날려주는 다양한 놀이기구들. 그런데 이 놀이기구가 선사하는 짜릿한 스릴과 쾌감이 원심력과 진자운동 등 과학적 원리에서 비롯된다는 사실을 아시는지? 자, 놀이기구 속에 숨어 있는 과학을 찾아 떠나보자.

●위치에너지▶운동에너지, 롤러코스터

놀이동산의 대표적 놀이기구인 롤러코스터에는 ‘물체의 위치에너지와 운동에너지는 서로 변환될 수 있으며 그 합은 일정하다.’는 역학적 에너지보존법칙이 숨어 있다. 롤러코스터는 전력 공급 없이도 상승과 하강 운동을 한다. 부천고 조영우(과학담당) 교사는 “롤러코스터가 전동 체인에 의해 레일의 최고점으로 올라가는 동안 위치에너지를 축적하게 되고, 이후 중력에 의해 하강하면서 위치에너지가 운동에너지로 바뀌어 동력을 얻는 것”이라면서 “위치에너지가 가장 작은 지점에서 속력은 가장 빠르게 된다.”고 설명했다.

롤러코스터가 360도 회전을 해도 떨어지지 않는 이유는 레일 밖으로 달아나려는 원심력과 구심력의 크기가 일치하기 때문이다. 쥐불놀이를 할 때 깡통속 내용물이 쏟아지지 않는 것과 같은 이치다.

●진자의 원리, 바이킹

대형 기둥에 매달려 70도 이상 각도로 양쪽으로 왔다갔다 하는 배 모양의 놀이기구인 이른바 ‘바이킹’은 진자의 원리를 이용한다. 시계추나 그네처럼 왕복운동을 하며 위치에너지를 운동에너지로 바꾼다. 배가 하강하다가 기둥 한 가운데를 지날 때 위치 에너지는 최소가 되고, 운동에너지가 최대가 되면서 가장 빠른 속도를 내게 된다.

한편 배에 한 사람이 탈 때와 수십명이 탈 때를 비교하면, 왕복주기의 시간 차이는 없다.‘줄의 길이가 같다면 무게나 운동거리에 상관없이 진자의 왕복 시간은 같다.’는 ‘진자의 등시성’ 원리가 적용되는 것이다.

●중력과 자석의 반발력, 타워형 기구

높이 70여m에서 지상으로 수직 낙하 하는 타워형 놀이기구에는 지구가 물체를 끌어당기는 ‘만유인력의 원리’가 숨어 있다. 마치 번지점프대 위에 올라 그대로 지상을 향해 뛰어내리며 스릴을 느끼는 것과 같은 원리이다.

타워형 놀이기구의 멈춤 장치는 ‘자석의 원리’를 이용한다. 자석의 같은 극(N-N,S-S)끼리 붙이면 서로 밀어내는 힘이 발생하는 성질을 이용한 것이다. 놀이기구 의자 뒤에 붙은 자석이 기둥 아래 부분에 부착된 같은 극의 자석에 접근해 반발력을 발생시키면서 중력을 상쇄, 지상에 곤두박질치지 않고 안전하게 멈출 수 있다.

●‘가슴 철렁’·‘머리 쭈뼛’ 이유는?

하강하던 놀이기구가 급제동하거나 급선회할 때는 몸이 땅으로 꺼지는 듯한 느낌을, 이와 반대의 경우에는 몸이 붕 뜨는 느낌이 든다.

이는 탑승자가 놀이기구를 타면서 평소 느끼던 것보다 훨씬 크거나 적은 중력 가속도를 받게 되기 때문이다. 롤러코스터는 레일 위를 오르내리면서 가속도의 ‘방향’이, 바이킹은 진자운동을 하면서 가속도의 ‘크기’가 변화되면서 ‘가슴 철렁함’을 선사한다. 타워형 놀이기구의 경우 자유낙하할 때 관성의 법칙에 따라 사람 몸이 위로 올라가려는 힘을 받게 되면서 무중력 상태를 경험하게 된다.

이영표기자