[클릭 사이언스] <2>롤러코스터

[클릭 사이언스]롤러코스터위치에너지가 운동에너지로 전환

'청룡열차', '88열차'로 불리는 롤러코스터는 놀이기구의 대명사. 순식간에 360도로 회전하거나 급강하할 때 느껴지는 짜릿함은 다른 놀이기구에서는 쉽게 맛볼 수 없다.

객차 여러 대가 연결된 롤러코스터는 레일을 따라 움직인다. 레일을 따라 한 바퀴 회전할 때는 거꾸로 매달리게 된다. 이 때 사람들이 열차에서 떨어지지 않는 까닭은 무엇일까.

롤러코스터가 출발하면 처음에는 급한 경사로를 타고 천천히 끌려 올라간다. 꼭대기를 지난 롤러코스터는 서서히 미끄러지면서 이리저리 구부러진 레일을 따라 빠른 속도로 내달리게 된다.

열차가 달리는 운동에너지는 위치에너지에서 얻어진 것. 꼭대기에 있을 때 가졌던 위치에너지 중 일부가 운동에너지로 바뀐 것이다. 아래로 내려갈수록 위치에너지는 감소하고 운동에너지는 증가한다. 위로 올라갈 때는 반대로 바뀐다.

저항에 의한 에너지 손실이 없으면 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다. 하지만 열차 바퀴와 레일 사이에는 마찰이 존재, 에너지가 100% 호환되지 않는다. 다음 언덕은 첫 번의 언덕보다 낮은 것은 이런 까닭이다.

또 한가지 힘으로 원심력을 들 수 있다. 대보름날의 대표적인 세시풍속인 쥐불놀이 때 불이 든 깡통을 빙빙 돌려도 불씨가 떨어지지 않는 것을 볼 수 있다. 손잡이를 놓으면 깡통이 앞쪽으로 튀어나간다. 마찬가지로 주전자에 물을 담아 빠른 속도로 돌려도 물이 쏟아지지 않는다.

튀어나가려는 힘은 원심력이라고 부른다. 손으로 잡아당기는 있을 때는 원심력의 반대방향으로 같은 크기의 힘이 생긴다. 구심력이다. 두 개의 힘은 평형을 이뤄 주전자의 물이 쏟아지거나 불씨가 떨어지지 않게 되는 것이다.

주전자를 돌릴 때와 롤러코스터를 비교해보자. 열차와 사람은 물, 레일은 주전자에 해당한다고 볼 수 있다.

실제 열차가 급회전 할 때는 원심력에 의해 바깥으로 빠져 나갈 것 같은 감각이 느껴질 것이다. 열차가 달리는 힘과 원심력이 합해져 젖은 우산을 돌릴 때 물방울이 퉁겨 나가는 쪽으로 힘을 받기 때문이다.