롤러코스터에 숨은 과학

세계 여러 곳에는 사람들을 즐겁게 해 주는 놀이기구들이 많다. 그 중 가장 인기가 많은 것은 단연 롤러코스터일 것이다. 그럼 롤러코스터에 숨은 과학 원리에는 무엇이 있을까?

롤러코스터는 전기의 힘으로 움직인다고 생각하는 사람이 있을 것이다. 하지만 일단 출발하고 나면 높은 곳으로 올라갈 때 쓰이는 리프트 외에는 모두 과학적인 계산으로 설계된 레일을 따라 중력과 다른 에너지를 이용하며 움직인다. 롤러코스터가 높은 곳으로 움직이는 까닭은 위치에너지를 발생시키기 위해서이다. 높은 곳에서 생긴 위치 에너지는 땅으로 떨어지며 운동에너지로 바뀐다. 그에 따라 롤러코스터는 움직이게 된다. 롤러코스터가 계속 위 아래로 움직이는 까닭은 재미를 추구하면서 위치에너지를 운동에너지로, 운동에너지를 위치에너지로 계속 변환시키기 위해서이다. 그렇다고 다른 에너지가 전혀 필요 없는 것은 아니다. 만약 마찰력이 없으면 레일과 바퀴가 움직이지 못해 롤러코스터가 움직이지 못하고, 한 번 움직이면 멈추기가 힘들 것이다.

빠르게 낙하해야 하는 롤러코스터의 하강할 때의 레일은 어떤 모습일까? 바로 사이클로이드 곡선이다. 어느 정도 크기의 원에 한 점을 찍고 직선 위에서 한 바퀴를 굴렸을 때 점을 따라 생긴 곡선을 ‘사이클로이드 곡선’이라고 한다.

롤러코스터 중간 중간에 보면 있는 루프는 원심력과 구심력을 이용한 것이다. 원심력은 물체가 빠른 속도로 원 회전을 하며 돌 때 밖으로 튕겨 나가려는 힘이고 구심력은 원 가운데로 물체를 끌어당기는 힘이다. 롤러코스터의 루프는 수직으로 세워져 있기 때문에 롤러코스터가 빠른 속도로 달려와 중력을 이기고 원심력과 구심력이 조화를 이루며 루프를 도는 것이다. 롤러코스터가 빠른 속도로 수평 회전을 할 때 레일이 안쪽으로 기울어져 있는 까닭도 강한 원심력에 의해 롤러코스터가 레일 밖으로 튕겨져 나가는 것을 방지하기 위해서이다.

스테이션(정거장) 진입 전 열차가 멈추는 까닭은 무엇일까? 어렵게 생각할 것 없이 바로 ‘브레이크’라고 답이 나올 것이다. 브레이크에는 두 가지 방법이 있다. 바로 마찰력을 이용한 것과 자석을 이용한 것이다. 마찰력을 이용한 브레이크는 소음과 충격이 크다는 단점이 있지만, 자석을 이용한 브레이크는 소음과 충격이 덜하다. 그리고 안전 바는 보통 유압 또는 기압으로 고정시키기 때문에 쉽게 풀리지 않는다.

롤러코스터는 처음에는 목재로 짓다가, 쇠와 특수트랙이 있는 롤러코스터, 매달리거나 서서 타는 롤러코스터, 그리고 처음에 높은 곳에 올라가지 않고 바로 급발진 시켜 속도를 내는 급발진 롤러코스터로 시대를 거쳐 발전해 왔다. 그럼에도 불구하고 우든코스터(나무로 된 롤러코스터)가 생기고 있는 이유는 사람은 차가운 느낌의 쇠 보다는 따뜻한 느낌의 나무가 더 좋아서는 아닐까?

여러 가지 물리작용을 이용해 만들어진 롤러코스터. 이제 그 원리를 알고 타면 롤러코스터가 무작정 재미를 주려고 만들어진 것으로 보이지는 않을 것이다.

남광민 기자 (호계초등학교 / 6학년)

남윤성 성남신기초등학교 / 6학년 2012-09-26 22:37:12 | 추천! 그렇지요. 놀이공원에 가면 즐기기도 하면서 동시에 과학과 수학 등의 다양한 공부도 함께 할 수 있지요. 저도 놀이공원에서 수학과 과학 탐구를 재미있게 했지요. 남광민 기자님, 유익한 기사 잘 읽었습니다. 잘 지내세요^&^ 박성경 오치초등학교 / 6학년 2012-10-25 00:01:18 | 저도 실험실에서 만들어 봤습니다.