롤러코스터가 거꾸로 매달려도 떨어지지 않는 이유

 놀이공원의 꽃이자 최고의 짜릿함을 주는 놀이기구는 누가 뭐래도 롤러코스터 입니다. 롤러코스터의 재미는 엄청나게 빠른 속도로 달리다가 360도 원형 궤도를 돌며 거꾸로 지나가는 순간입니다. 머리가 땅을 향하고 몸이 허공에 거꾸로 매달려 있는데도 사람이나 열차는 땅으로 떨어지지 않고 궤도를 무사히 빠져나옵니다.

지구상의 물체는 모두 중력의 영향을 받아 아래로 떨어지는데요. 롤러코스터가 거꾸로 매달려도 떨어지지 않는 이유는 무엇일까요? 단순하게 안전벨트로 인해서 일까요? 하지만 롤러코스터의 360도 회전 궤도안에는 물리학 법칙이 담겨있습니다. 그래서 그 이유를 원심력과 구심력, 에너지 보존 법칙을 설명해드리려고 합니다.

회전하는 물체의 두가지 힘 구심력과 원심력

롤러코스터가 거꾸로 매달려도 떨어지지 않는 이유를 알기 위해서는 원을 그리며 도는 물체에 작용하는 두가지 힘을 알아야하는데요. 그것은 구심력과 원심력입니다.

중심을 향해 잡아당기는 구심력

어떤 물체가 원을 그리며 회전하려면 밖으로 도망가지 못하게 원의 중심쪽으로 끊임없이 잡아당기는 힘이 필요합니다. 이것을 구심력이라고 하는데요. 롤러코스터에서는 튼튼한 철제 궤도가 열차의 바퀴를 잡고 원의 중심으로 밀어주는 구심력 역할을 하고 있습니다.

밖으로 나가려는 원심력

자동차가 커브 길을 빠르게 돌면 몸이 바깥쪽으로 확 쏠리는 것을 느껴보셨을 건데요. 물체는 원래 가던 직선 방향으로 계속 가려는 성질이 있는데, 억지로 원운동을 시키면 원의 중심에서 바깥쪽으로 튕겨 나가려는 힘이 생깁니다. 이것을 원심력이라고 합니다. 구심력과 원심력은 방향만 반대일 뿐 그 힘의 크기는 같습니다. 회전속도가 빠를수록 바깥으로 튕겨 나가려는 원심력도 엄청나게 커집니다.

롤러코스터가 추락하지 않는 이유

이제 롤러코스터가 추락하지 않는 이유를 알아볼까요? 360도 회전 궤도의 정점인 가장 높은 곳에서 거꾸로 매달려 있는 순간을 상상해 봅시다.

이떄 열차를 아래로 끌어당기는 중력이 작용합니다. 하지만 열차는 매우 빠른 속도로 원을 그리며 돌고 있기 때문에 원의 바깥쪽으로 튕겨 나가려는 원심력이 발생합니다. 이로인해서 열차가 위로 튕겨 올라가려는 원심력이 아래로 떨러지려는 중력보다 크기 때문에 사람은 좌석에 눌려 움직이지 못하게 되고 열차도 궤도에 붙어 그대로 통과할 수 있는 것입니다.

물이 담긴 양동이 돌리기

일상에서 해볼 수 있는 실험으로 물이 담긴 양동이를 돌리는 것입니다. 양동이를 손에 쥐고 팔을 크게 저어 풍차처럼 돌려보세요. 이때 머리위로 지나가는 순간에도 그 안에 들어 있는 물이 떨어지지 않습니다. 원을 그리며 빠르게 돌면서 발생하는 원심력이 물을 양동이 바닥으로 밀어붙이고 있어서 인데요. 롤러코스터에 탑승한 사람과 마찬가지 상태입니다.

역학적 에너지 보존 법칙

그렇다면 롤러코스터는 거대한 중력을 이겨낼 만큼의 원심력을 어떻게 만들어내는 것일까요? 대부분의 롤러코스터 열차는 자동차처럼 스스로 에너지를 내는 엔진이 없습니다. 그래서 역학적 에너지 보존 법칙 하나만으로 코스를 끝까지 질주합니다.

위치 에너지와 운동에너지의 교환

역학적 에너지 보존 법칙이란 공기 저항이나 마찰을 무시할 때 물체가 가지는 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 항상 일정하다는 법칙입니다.

1. 최고점의 힘 (위치에너지 MAX): 롤러코스터 출발 직후 체인이 기차를 끌어당겨 코스에서 가장 높은 위치로 천천히 끌어올립니다. 그러면 열차는 최고의 위치 에너지를 갖게 됩니다.
2. 빠른 추락 (운동에너지 MAX): 꼭대기에서 체인이 풀리면 열차는 가파른 내리막길을 추락하게 됩니다. 이때 열차가 가지고 있는 위치에너지가 운동에너지로 바뀝니다.
3. 루프 통과: 내리막에서 얻은 운동에너지를 이용하여 360도 원형 궤도로 진입합니다. 폭발적인 속도가 무거운 열차를 떨어지지 않게 받쳐주는 원심력을 만들어냅니다.

완벽한 동그라미가 아닌 물방울 모양의 궤도

롤러코스터의 360도 궤도를 멀리서 보면 완벽한 원형이 아니라 아래쪽이 약간 뾰족하고 위쪽이 둥근 물방울 모양이라는 것을 알 수 있습니다. 여기에 과학적인 이유가 숨어있는데요.

완벽한 원형으로 궤도를 돌게되면 맨 아래쪽을 통과할 때 원심력과 중력이 한 방향으로 합쳐져 평소보다 6 ~ 8배 높은 압력을 받아 기절하게 됩니다. 하지만 물방울 모양으로 하게 되면 서서히 중력 가속도가 가해져 안전한 수준으로 분산 시킬 수 있습니다. 즉 짜릿함과 안전이라는 과학적 설계가 담겨 있는 셈입니다.

우리의 심장을 쫄깃하게 만드는 롤러코스터에 담긴 물리학의 3가지 핵심을 요약해 드리겠습니다.

1. 롤러코스터가 거꾸로 매달려 있어도 떨어지지 않는 이유는 열차가 빠르게 회전하면서 생기는 원심력이 아래로 떨어지는 중력보다 크기 때문입니다.
2. 엔진이 없는 롤러코스터는 가장 높은 곳에서 얻은 위치 에너지를 떨어지면서 운동 에너지로 바꾸는 역학적 에너지 보존 법칙을 이용해 달립니다.
3. 탑승자가 기절하지 않고 안전하게 놀이기구를 탈 수 있도록 완벽한 원의 회전 궤도가 아닌 물방울 모양으로 설계 되어 있습니다.

허공을 가르며 비명을 지를때 많은 사람들이 짜릿함을 느끼는데요. 뉴턴의 역학 법칙과 갈릴레오의 에너지 보존 법칙이 담긴 롤러코스트를 이제 과학적 원리를 알고 타보시기 바랍니다.