차시 9~12/16
힘이 위치에너지 입니다. 정상에서의 위치에너지가 내려올 때 운동에너지로 바뀌면서 달리게 되 는 것이죠!
자전거를 타 보신 분들은 언덕위에 올라가면 페달을 전혀 밟지 않고도 힘들이지 않고 자연스럽 게 자전거가 내려가는 경험을 해보셨을 것입니다. 힘없이 자전거를 내려가게 만드는 힘이 위치에 너지 입니다. 정상에서의 위치에너지가 내려올 때 운동에너지로 바뀌면서 달리게 되는 것이죠!
그렇다면 롤러코스터가 360도 회전을 해도 떨어지지 않는 것은 무엇 때문일까요? 이것은 원운동 때문입니다. 원 바깥으로 달아나려는 원심력이 구심력 등과 일치하기 때문입니다. 물이 든 양동 이를 끈에 매달고 돌리면 물이 쏟아지지 않는 것과 비슷한 원리입니다.
에너지란 결국 운동에너지와 위치에너지를 합으로 롤러코스터는 정상에 오르는 동안 위치에너지 를 갖게 되고, 중력에 의해 내려올 때는 이 위치에너지가 운동에너지로 바뀌면서 속도가 생기게 되는 것이죠. 이때 롤러코스터가 갖는 에너지는 운동에너지와 위치에너지의 합이므로 언제나 일 정합니다.
따라서, 위치에너지가 가장 큰 지점에서 속력이 가장 느리고, 위치에너지가 가장 작은 지점에서 속력은 가장 빠르답니다. 롤러코스터의 가장 빠른 속도는 시속 83km 정도이며, 가장 느릴 때는 시속 45km 정도라고 합니다. 생각보다 빠르죠?
상승과 낙하의 숨은 과학! 자이로드롭
높이 올라갔다가 순식간에 떨어지는 자이로드롭 타보셨나요? 자이로드롭은 높이 70m까지 끌어 올린 다음 시속 90km의 속도로 자유낙하를 하여 무중력 상태를 느낄 수 있는 놀이기구 인데요.
앉아 있는 사람은 잠시 공중에 몸이 붕 뜬 것 같은 상태를 느낄 수 있죠. 지상에서 25층 높이로 사람들을 끌어올렸다가 88㎞/h 속도로, 2.5초 만에 떨어뜨리는 자이로 드롭. 과연 이 거대한 힘 은 어디서 나오는 것일까요? 그것은 바로 자기장의 힘입니다.
자기장은 우리가 가지고 놀던 자석의 N극과 S극을 이용한 힘 이라고 생각하면 되는데, 우리가 과학시간에 사용했던 자석은 그 힘이 매우 적지만, 자이로드롭에 사용되는 자기장은 영구자석의
‘와전류 방식’이용한 것이라서 그 힘이 강 합니다.
영구자석의 '와전류 방식'이란 자석의 N극과 S극 사이에 전류가 통하는 금속을 넣으면 순간적으 로 전류가 흐르면서 금속이 자석의 성질을 띄게 되는데. 이때 발생하는 금속의 자기장은 자석의 자기장과 서로 밀어내려는 성질, 즉 반발력을 갖습니다. 그 강한 반발력에 의해 자이로드롭은 순
간적으로 멈추게 되는 것입니다.
또한 자이로드롭을 탈 때 우리가 경험하는 느낌은 내려올 때 다리가 들리게 되면서 땅으로 꺼지 는 듯 한 기분이 드는데요. 자이로드롭을 타면 내려올 때 다리가 들리는 느낌은 다리 아래쪽에 생긴 고기압 때문입니다. 탑승의자가 고속으로 떨어지게 되면 의자 밑의 공기가 밖으로 밀리면서 탑승자들의 다리 밑은 순간적으로 고기압 상태가 됩니다. 고기압은 저기압으로 흐르는 성질이 있 어 공기는 아래에서 위로 흐르게 되고, 이 때 탑승자들의 다리는 들어 올려 지게 되는 것입니다.
멈출 때 땅으로 꺼지는 느낌이 드는 이유는 탑승의자가 가지는 가속도 때문입니다. 탑승의자의 가속도(평균 17m/sec2)는 우리가 일반적으로 느끼는 중력가속도(9.8m/sec2) 보다 커 평소보다 중력을 크게 느끼기 때문입니다. 이렇게 자이로드롭에는 자기장, 가속도의 원리 등이 포함되어 있습니다.
나도 갈릴레오처럼? 바이킹!
바이킹을 타려고 줄을 설 때면 사람들이 항상 양쪽 뒷편에 타려고 해서 중간부분에는 자리가 비 고, 양쪽 끝부분에는 자리가 빨리 차는 걸 볼 수 있습니다. 스릴을 즐기는 한가인(가명, 22세)양 도 뒤쪽부분에 타려고 기다리고 있었는데, 같이 온 김태희(가명, 22세) 양이 "야~ 어차피 한 배 타는 건데 차이 별로 크지 않으니까 중간에 타자." 이 말에 스릴의 차이가 별로 크지 않나? 라고 궁금해 하고 있는데...
바이킹을 보다 스릴 있게 즐기려면 배의 양쪽 뒷부분에 타시는 것이 좋다고 합니다. 그 이유는 배의 끝부분이 가운데보다 24도 정도 더 기울어질 뿐만 아니라 높이도 5m가량 더 높이 올라가 기 때문 입니다. 그러므로 올라갔다가 떨어질 때 생기는 가속력을 양쪽 끝자리가 가장 많이 받습 니다. 그만큼 스릴도 더 커지겠죠?
기둥에 매달린 배가 양쪽으로 왕복 운동하는 바이킹은 시계추나 그네의 원리와 같은 진자의 운 동을 이용한 것입니다. 배가 왕복 운동하는 동안 배와 사람은 같은 속도로 낙하하게 됩니다. 즉 안에 있는 사람은 배가 자신을 떠받치지 않고 붕 뜬 상태에서 같이 낙하하기 때문에 짜릿한 전 율을 느낄 수 있는 것입니다.
by Juan Pablo.
재규어 | IDEA팩토리 주현진 기자