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저는 몇주일전에 서울랜드로 가게 되었습니다. 야호!
삼촌과 놀이동산에 온 저는
절로 소리를 질렀습니다. 신나고 재미있는 놀이 기구들을 탈 생각에 벌써부터 마음이 설렙니다. 저는 삼촌과 함께 제일 먼저 롤러 코스터로 향했습니다. 처음에 롤러 코스터는 천천히 레일 위를 올라갔습니다. 그러다가 어느 정도의 높이에 다다르자 롤러 코스터는 갑자기 빠른 속력을 내면서 아래로 곤두박질치듯이 떨어졌습니다.
"으악!"
기차에 타고 있던 사람들은 일제히 소리를 질렀습니다. 롤러 코스터가 오르락내리락할 때마다 가슴이 울렁거리기도 하고 머리가 쭈뼛쭈뼛 서기도 했습니다. 정신은 없었지만 그래도 짜릿한 기분이 들었습니다. 롤러 코스터를 타고 나서 저는 삼촌에게 물었습니다.
"삼촌, 천천히 올라가던 롤러 코스터가 갑자기 빠른 속력으로 내려가는 이유는 무엇이지요?"
이렇게 놀이동산에서 겪은 일을 바탕으로 호기심이 발동해 백과사전,인터넷을 통해 알아보았습니다.
롤러 코스터 - 위치 에너지는 운동 에너지로
빠른 속도로 레일 위를 굴러가는 롤러 코스터, 롤러 코스터는 1,000m가 넘는 거리를 3분 안에 질주해 냅니다. 사람들을 잔뜩 태운 롤러 코스터는 위로 솟구쳤다. 아래로 내리뻗었다. 이리저리 꼬였다 하는 레일을 시속 70km 이상의 속도로 씽씽 달려갑니다. 엔진도 달지 않은 채 높이도 일정하지 않은 레일을 어떻게 그렇게 빨리 달릴 수 있을까요? 처음에 느린 속도로 출발한 롤러 코스터는 일정한 높이에 이르면 큰 위치 에너지를 얻게 됩니다. 위치 에너지를 얻은 롤러 코스터가 중력에 의해 아래로 떨어지면 롤러 코스트가 가지고 있던 위치 에너지는 운동 에너지로 바뀌게 됩니다. 어떤 물체가 움직일 수 있는 힘을 운동 에너지라고 합니다. 각 위치에서 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 항상 일정합니다. 따라서 높은 레일에 올라갔던 기차가 아래로 휘어진 레일을 따라 내려오면 위치 에너지는 줄어드는 대신 운동 에너지는 그만큼 늘어나겠지요. 큰 운동 에너지를 얻은 롤러…(생략)
코스터는 다시 레일을 빨리 달릴 수 있게 됩니다. 이런 식으로 롤러 코스터는 위로 올라갔다 아래로 내려왔다를 반복하며 빠른 속도로 레일을 돌 수 있는 것입니다.
마법의 양탄자 - 관성의 법칙
롤러 코스트 못지 않게 짜릿함을 느낄 수 있는 놀이기구인 `마법의 양탄자`에도 과학의 원리가 숨어 있습니다. 한 방향으로만 게속 돌아가는 마법의 양탄자는 양탄자처럼 생긴 구조물 전체를 일정한 방향으로 회전시키는 놀이기구입니다. 양탄자가 돌아가면서 위,아래로 오르락내리락할때마다 사람들은 무서움을 느끼게 되지요. 그런데 마법의 양탄자가 한 방향으로 계속 돌아가는 원리는 무엇일까요? 마법의 양탄자는 `관성`의 원리로 움직이는 놀이 기구입니다. 관성이란 물체가 자신이 하고 있는 운동 상태를 그대로 유지하려고 하는 성질입니다. 달리는 버스를 타고 가다가 버스가 갑자기 멈추었을 때를 생각해 보세요. 가만히 서 있던 우리 몸이 앞으로 쏠렸던 기억이 있을 것이니다. 버스는 멈췄지만 버스 안에 타고 있던 사람들은 버스가 달릴 때처럼 계속 앞으로 나가가려는 관성을 갖고 있기 때문에 생기는 현상입니다. 기수가 말을 타고 가다가 말이 갑자기 멈추면 말에서 떨어져 앞으로 넘어지는 것도 같은 이유입니다. 말은 멈추었어도 말에 타고 있던 기수는 계속 앞으로 나가려는 성질이 있기 때문에 앞으로 떨어지는 것입니다. 마법의 양탄자도 이와 비슷한 경우입니다. 한 번 돌아가기 시작한 양탄자는 계속 돌아가려는 성질을 갖게 됩니다. 때문에 일정한 시간동안 계속해서 회전을 할 수 있는 것입니다.
만약 이런 성질이 없다면 무거운 마법의 양탄자 기계를 돌리기 위해 더 많은 힘을 들여야 하겠지요?
※ 관성이란 물체가 자신이 하고 있던 운동 상태를 그대로 유지하려는 성질을 말한다. 줄에 매달린 구슬을 잡아당겼다가 놓으면 멈추지 않고 계속 움직이는 것도 원래의 운동 상태를 유지하려는 관성 때문이다.
이 밖에 놀이 동산에는 어떤 과학의 원리들이 숨어 있을까요?
짜릿한 충돌의 묘미를 한껏 느낄 수 있는 범퍼카도 과학의 원리를 응용한 거에요.
그러면 실험을 통해서 범퍼카의 원리에 대해 알아볼까요?
실험 방법
① 모형 자동차 2개를 서로 마주 보도록 놓습니다.
② 모형 자동차 1을 모형 자동차 2를 향해 힘껏 굴려 봅니다.
③ 각각의 모형 자동차에 어떤 변화가 일어나는지 살펴보세요.
실험결과
가만히 있던 모형 자동차 2는 속도를 얻어 뒤로 움직이고, 힘껏 굴러가던 모형 자동차 1은 속도가 줄어듭니다.
왜 그럴까?
모형 자동차가 충돌하는 원리는 범퍼카가 부딪치는 원리와 비슷합니다. 범퍼카를 타고 친구들과 서로 부딪쳤을 때를 생각해 보세요. 내가 타고 있는 차가 멈추어 있는 다른 차에 부딪치면 내가 탄 차의 속도는 줄어들지만 멈췄던 친구의 차는 속도가 붙어 반대 방향으로 밀려납니다. 멈추어 있던 차가 움직이는 까닭은 무엇일가요? 정지하고 있던 물체가 움직이려면 움직일 수 있는 힘이 있어야 합니다. 정지해 있던 차는 충돌을 하면서 움직이는 차로부터 힘을 받습니다. 이 힘으로 인해 정지 상태에서 벗어나 움직일 수 있는 것입니다. 또한 충돌을 하면서 움직이던 차도 멈추어 있던 차로부터 받은 영향 때문에 속도가 줄어듭니다. 멈추어 있던 차는 정지하려는 힘을 가지고 있는데, 충돌을 하면서 정지하려는 힘을 받기 때문입니다. 이 원리를 `작용과 반작용의 원리`라고 합니다.
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