[신나는 과학이야기] 줄타기 무게중심 어떻게 잡나?

외줄 위의 숨은 과학, 회전 관성

화려한 조명으로 새단장을 한 서울타워(구 남산타워)에 가기 위해 케이블카를 탔다. 공중에서의 짧지만 아찔한 느낌과 함께 남산에 오른다. 이제는 제법 가을의 정취를 느낄 수 있다. 서울타워 앞 넓은 마당에 도착하니 진귀한 공연에 시선이 머문다.

부채 하나에 의존한 채 외줄을 타면서 마치 땅 위에 걸어다니며 묘기하듯 사뿐사뿐 외줄타는 장면은 저절로 탄성을 자아내게 한다. 외줄타기의 비결은 무엇일까?

물체가 균형을 잡으려면 특별한 조건이 있다. 손가락 위에서 눈금이 그려진 자를 올려놓고 수평이 되는 지점을 찾아보자. 자를 양손의 검지손가락 위에 올려놓고 두 손을 가운데로 천천히 모아보자. 두 손이 같은 위치에 모아져 자가 균형을 유지할 때, 손가락이 있는 지점이 바로 자의 무게중심이다. 즉, 30㎝길이의 자라면 무게중심은 15㎝ 지점이 된다. 이 지점을 손가락으로 받치면 자는 균형을 잡게 된다.

물체가 균형을 잡으려면 무게중심을 고려해야 한다. 자가 수평이 된 다음, 손가락을 왼쪽이나 오른쪽으로 움직이면 자는 한쪽으로 기울어지게 된다. 이처럼 물체의 무게중심에서 벗어나게 되면 무게중심의 오른쪽과 왼쪽의 무게가 서로 다르기 때문에 양쪽의 질량이 달라 중력이 다르게 작용하게 된다. 이때 어느 한쪽으로 기울어지려는 힘이 작용하는 것을 알 수 있다.

사람의 두 발을 어깨 너비 만큼 벌리면 무게중심이 두 발을 직경으로 하는 면적을 벗어나지 않기 때문에 웬만해서는 쓰러지지 않는다. 그러나 한쪽 발을 들고 서 있으면 무게중심이 발의 작은 면적을 벗어나기 때문에 결국 균형을 잃고 만다.

외줄타기를 할 때도 마찬가지이다. 그냥 걸으면 몸이 한쪽으로 치우쳐 떨어지기 쉽지만 긴 막대를 들고 걸으면 회전하는 데 저항이 커지게 돼 균형을 잡기 쉬워진다. 또한 균형 잡는 데 필요한 시간도 벌어 일석이조의 효과를 보게 된다.

전통적인 외줄타기 묘기에서 막대를 대신해 양손을 쫙 펴는 것도 그 때문이다. 이를 두고 물리학적인 용어로는 회전 관성이 커진 효과라고 말한다. 회전하는 물체도 회전 상태가 변하는 것에 저항하려는 성질이 있다.

이것이 바로 회전 관성이다. 즉, 회전하는 물체는 계속 회전하려는 성질이 있고, 회전하지 않는 물체는 계속 회전하지 않는 상태로 있으려고 하는 것을 일컫는다.

보통 외줄타기를 할 때 팔을 길게 뻗거나 긴 장대를 잡기도 하고 부채를 들기도 한다. 이것은 외줄 위에 사람이 서 있을 때 무게중심의 위치가 외줄 위에 올라선 발과 수직한 위치에 있는 상태에서 회전관성을 크게 함으로써 외줄타는 사람의 몸이 회전을 하지 않도록 하기 위한 것이다. 줄 위에 선 사람의 손에 든 장대가 길수록, 양 팔을 멀리 길게 뻗고 외줄을 탈수록 회전관성이 커져서 돌려고 하는 성질이 작아지게 된다. 이에 다시 균형을 잡는 시간을 벌 수 있는 것이다.

바닥면에 놓인 물체가 넘어지지 않고 균형을 잡으려면 물체의 무게중심에서 아래 방향(중력방향)으로 똑바로 그은 선이 물체의 바닥 면을 벗어나서는 안 된다. 이탈리아의 피사의 사탑이 기울어져 있어도 쓰러지지 않고 있는 이유는 사탑의 무게중심이 탑의 바닥 면을 벗어나지 않고 있기 때문이다. 더 기울어진다면 사탑은 쓰러져 버릴것이다.

그러면 사람의 무게중심은 어디에 있을까? 일반적으로 남자의 몸은 역삼각형 구조로 돼 있어 무게중심이 주로 가슴쪽에 있고, 여자의 무게중심은 주로 엉덩이 쪽에 있다. 특히 서양인들은 상체가 날씬하고 하체가 동양인에 비해 길기 때문에 올림픽에서 높이뛰기 종목, 특히 배면뛰기에서는 더욱 유리하게 경기를 할 수 있다. 왜냐하면 무게중심의 위치를 가로막대 위로 끌어올려 공중에 띄우기가 보다 쉽기 때문이다.

한은주 숭인중학교 교사