어린이강원일보

 

 

중력과 원심력을 이용한 롤러코스터
물리법칙과 함께하는 놀이기구 체험

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과학 - 신나는 과학교실
작성자 : 이한민      2018-12-27
놀이기구 자유낙하하는 동안 사람은 무중력 상태
안전규칙 지키며, 놀이기구 속 과학의 원리 체험

신나는 겨울방학이 찾아왔어요. 이번 방학은 일반적으로 2월에 행해졌던 졸업식을 1월로 옮기고, 1월부터 새 학년이 되는 3월1일까지 실시해 아주 긴 방학이 여러분을 기다리고 있답니다.
어린이 여러분에게 방학이 되면 무엇을 가장 하고 싶은지 발표해 보라고 하면 10명 중 5명은 놀이공원에 가서 신나게 놀이기구를 타고 싶다고 말을 한답니다. 그렇다면 소원 성취해야겠죠? 이번 방학엔 신나는 놀이기구를 타면서 그 속에 숨겨진 과학의 비밀도 찾아보면 어떨까요?

즐거운 스릴을 원한다면 “원심력”
놀이공원의 시작이자 마침은 롤러코스터죠. 어디선가 이런 소리가 들려오네요. “안전벨트 단단히 매셨습니까? 소지품은 꼭 옆에 있는 바구니에 넣어 주시구요. 자, 이제 원심력의 세계로 출발!” 약 1∼2㎞를 3분 만에 달리는 롤러코스터의 힘은 두 가지입니다.
먼저 일정한 높이까지 모터로 끌어당겨 만든 ‘위치에너지’죠. 꼭대기까지 올라간 롤러코스터는 중력에 끌려 아래로 떨어지고, 이때 위치에너지가 운동에너지로 바뀌며 롤러코스터의 속력을 높여줍니다.
가장 높은 곳에 위치해 있을 때 간직한 위치에너지는 고스란히 운동에너지로 바뀝니다. 예를 들어 볼까요? 롤러코스터가 올라간 최대 높이가 100m라면 “최대운동에너지=√19.6(루트19.6)×최대높이”이므로 최대 속력은 약 시속 160km가 된답니다.
이때, 타고 있는 사람은 중력과 원심력을 느낍니다. 쉴 새 없이 방향이 바뀔 때 좌우로 쏠리는 힘이 원심력이고, 올라가고 내려가며 느끼는 힘이 중력입니다. 롤러코스터에서는 원심력의 방향이 바뀌고 여러분의 몸무게가 계속 변하기 때문에 짜릿한 느낌을 받을 수 있는 것이랍니다.

범퍼가 부서질 듯 “작용과 반작용”
친구가 탄 범퍼카를 발견하고 액셀을 힘껏 밟으며 앞으로 돌진해 “쿵∼” 서로 이리저리 부딪히며 친구들과 깔깔거리며 웃기는 하지만 충돌로 인한 반작용은 고스란히 여러분들이 받게 되는 범퍼카.
달리던 속도만큼 상대 차에 힘을 가하고, 그 힘이 다시 자신에게 돌아오게 됩니다. 상대 차의 속도도 영향을 주는데 몸은 관성에 의해 충돌 방향으로 쏠리게 되니 항상 조심하며 즐겨야 합니다.
그런데 어떤 친구는 범퍼카에 달린 쇠막대기가 천장에 닿아 “지지직”거리며 소리를 내는 것을 보고 전기에 감전될까 무서워 못 타는 경우도 있답니다.
범퍼카는 어떻게 움직일 수 있는 것일까요? 범퍼카의 뒤쪽에는 천장에 닿는 기다란 쇠막대기가 달려 있고, 바닥과 천장은 전류가 잘 흐르는 재질로 만들어져 있습니다. 범퍼카의 바닥은 음의 전자(-)가 흐르고, 천장에는 양의 전자(+)가 흐르는데요.
전자의 흐름은 (-)에서 (+)로 흐르기 때문에 바닥에서 흘러나온 음의 전자가 운동에너지로 바뀌면서 범퍼카를 이동시킵니다.
이때 운동에너지로 바뀌지 못한 나머지 전자들은 범퍼카의 쇠막대기를 통해 천장으로 빠져나가기 때문에 사람이 감전되지 않고 안전하게 범퍼카를 즐길 수 있답니다. 하지만 과학기술이 발달하면서 사진처럼 천장에 닿는 쇠막대기가 없이 바닥에 (+), (-) 전자가 흐르게 만든 범퍼카도 있답니다.

일상에서 우주인 체험을 할 수 있는 “무중력”
수백 m 높이에서 단 5초 만에 지상으로 내려오는 ‘자이로드롭’, 한 번만 떨어지는 건 섭섭해서 두세 번 더 튀겨주는 ‘샷드롭’, 그것도 모자라 진자운동까지 곁들인 ‘자이로스윙’ 등 다양한 놀이기구가 여러분을 또 기다리고 있네요.이 놀이기구는 모두 비슷한 물리법칙을 체험할 수 있는데요.
자이로드롭이 떨어져 내리는 순간, 몸 전체가 뜨는 기분에 비명조차 나오지 않죠?
자이로드롭은 물체가 아래로 떨어질 때 중력과 자석끼리의 반발력을 이용한 놀이기구입니다. 자이로드롭이 자유낙하하는 동안 여러분에게 작용하는 중력은 없어집니다. 무중력 상태가 되는 것이죠.
떨어지다 멈추지 않으면 어떻게 되냐고요? 지상 10m 구간에서부터 판과 중앙 기둥의 자석 사이에 맴돌이 전류가 생겨 안전하게 정지할 테니 걱정 마세요.
전 세계적으로 자이로드롭이 떨어지느 사고는 단 한 건도 일어나지 않았답니다. 맴돌이 전류는 움직이는 자석과 금속 사이에 생기는 전류로 서로 반발하는 힘을 내기 때문에 브레이크 역할을 해준답니다.
최근에는 VR 기술이 발전하면서 높은 기둥을 세운 자이로드롭 대신 VR로 간단히 체험할 수 있는 놀이기구들도 늘어나고 있으니 직접 체험해 보면 어떨까요? 얼마 전 국내의 유명 놀이공원에서 놀이기구 안전사고가 일어났어요.
재미는 있지만 위험성도 높은 놀이기구, 안전은 안전규칙을 잘 지키는 것에서 시작된다는 것을 기억하며 놀이기구 속 과학 원리를 체험해 보는 즐거운 방학이 되세요.<출처>이 이야기는 KISTI 과학향기 제579호의 `놀이공원 안내서'의 도움을 받아 재구성해 만들어졌습니다.
이한민 고성 초계종합교육센터겸임교사

 

 

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