[과학글짓기] 피겨스케이트 속 과학기술

피겨스케이트 속 과학기술
2010년 벤쿠버 올림픽을 보지 못한 우리나라 사람은 거의 없을 것이다. 그 중에 단연 인기 종목은 피겨스케이팅이라 말할 수 있을 것이다. 원래 비 인기 종목중 하나인 피겨 스케이팅이 김연아 선수로 인해 국민의 뜨거운 관심을 받았다. 빠른 스핀 깃털처럼 가벼운 점프동작 우하한 표정 마치 요정처럼 TV를 본 사람들이 라면 누구나 반했을만한 아름다움! 그 매력에 빠져 피겨스케이트를 주제로 세웠다. 조사해본 결과 아름다운 스핀, 높은 점프, 등 심지어 얼음판위까지 이 모든 곳곳에 과학이 숨어있었다. 만약에 얼음판 위가 미끄럽지 않다면 피겨스케이트 뿐만 아니라 빙상에서 할 수 있는 경기들은 존재 하지 않았을 것 이다. 그렇다면 얼음판 위는 왜 미끄러운 것일까? 그 이유는 2가지가 있다.
첫 번째로 압력과 녹는점, 끓는점에 관계 때문이다. 특히 물은 다른 물질과 다르게 압력이 높아지면 녹는점이 낮아…(생략)

이다. 자세히 보면 동작을 바꿀 때 마다 회전 속도가 달라지는데 여기에서 과학의 각운동량보전법칙이 설명된다.
각운동량보존법칙이란 물체에 작용하는 회전력으로서 힘의 모멘트(어느 방향으로 휘려는 성질을 숫자로 강도개념으로 나타낸 것이다.)의 합이 0 이라면, 그 물체의 각운동량은 시간이 지나도 달라지지 않는다. 이것을 각운동량보존법칙이라 한다. 크기가 있는 물체에 외부의 힘이 작용하지 않거나 작용하더라도 외부 힘의 모멘트의 합이 0이라면, 물체의 전각운동량은 보존된다. 각운동을 하는 물체는 질량과 속도와 반지름이 항상 비례한다. 예를 들면 돌을 끈에 묶어 돌릴때 끈의 길이가 길면 반지름이 커 속도가 빨라지고 끈의 길이가 짧으면반지름이 작아 속도가 빨라진다. 즉 피겨 동작에 다리를 중심축으로 돌때 팔을 오므리거나 다리를 수평으로 들면 속도가 빨라지고 다리를 수직으로 길게 뻗을때에는 속도가 감소한다.
다음으로는 스파이럴에 대해 알아보자. 스파이럴은 한쪽 발을 들어 엉덩이 위로 유지한 채 빙판을 앞으로 또는 뒤로 활주하는 기술로서 발의 위치는 몸 앞이나 옆 또는 뒤로 할 수 있다. 올림픽에서 그 것을 보았을땐 우아한 고요한 백조를 연상 시키는 듯 했다.
스파이럴 동작에서 보면 한발을 들고 하기 때문에 무게 중심을 잘 맞추지 못하면 균형이흐트러져 자세가 엉망이 될 수 있다. 무게 중심이란 물체의 각 부분에 작용하는 중력의 합력의 작용점을 말한다. 예를 들면 굵기와 재질이 같은 막대기의 무게 중심은 중앙이다 하지만 한쪽 끝에 쇠를 부착한다면 한쪽이 다른 한쪽 보다 반대쪽이 무게가 더 나가지 때문에 무게 중심은 중간부분에서 쇠를 부착한 부분 쪽으로 움직이게 된다. 무게 중심만 잘 파악하고 이용한다면 피사의 사탑 처럼 무너지지 않는 기울어진 건물을 짓는 것도 가능하게 된다.
이처럼 무게 중심을 파악하면 불안한 자세에서도 얼음판위에 활주가 가능해진다.
마지막으로 점프와 회전이 있다. 이번 올림픽의 금메달도 김연아의 높은 점프력과 깔끔한 회전 덕에 얻을수 있었다고 본다. 시청했을땐 행여 넘어지진 않을까 하고 긴장하며 가슴 졸이며 봤었다. 이 기술의 관건은 공중에서의 회전수 인데 여기에도 몇가지 물리 법칙이 숨어있다. 회전수에 따른 공중에서의 회전수는 두 가지에 의해 결정된다.
첫 째로는 체공 시간이 길때이다. 체공시간이 길다는 것은 단순히 점프의 높이에 의해 결정된다. 그리고 최고 높이는 스케이트 날이 얼음을 떠나는 순간 선수의 무게중심이 수직방향으로 얼마나 빠른 속도로 위로 올라가느냐에 의해 정해진다. 점프를 높게 하기위해서는 제 3법칙 작용과 반작용으로 설명 할 수 있다. 작용 반작용이란 ‘모든 작용에 대해 크기는 같고 방향은 반대인 반작용이 존재한다‘ 라는 말인데 쉽게 설명하자면 로켓은 일정한 힘으로 가스를 뒤로 분출하는데 이 가스를 분출하는 힘이 작용이라고 할 때, 반작용은 가스가 로켓을 미는 힘이다. 이 힘에 의해 로켓은 위로 나아갈수 있게 된다. 즉 얼음판을 세게 찬 만큼 자신도 더 높게 점프를 할 수 있다는 것이다.
체공 시간이 정해지면 그 다음에는 회전 속도에 따라서 공중에서의 회전수가 결정된다. 그런데 회전 속도는 위에서 설명한 것처럼 각운동량이 핵심 역할을 한다. 따라서 몸이 얼음을 떠나기 직전에 팔다리를 펴서 회전을 시작하여 각운동량을 최대로 했다가 도약 직후 팔다리를 안으로 모아 몸을 일자로 만들면 회전이 빨라지게 된다. 만약 공중에서 원하는 회전수를 다 채웠다면 다시 팔다리를 펴서 회전을 거의 멈추게 할 수도 있을 것이다. 이것이 바로 착지할 때 스케이터가 팔과 다리를 다시 벌리는 이유이다. 그런데 점프를 할 때 팔을 모으는 것이 그리 쉬운 일은 아니다. 회전하는 동안에는 팔에 원심력이 작용하기 때문인데 이런 원심력이 중력의 네 배까지 커지는데 피겨선수들에게는 신체적으로 부담을 줄 수 있다. 이렇듯 아름다운 피겨 스케이트에도 여러 가지 과학의 법칙이 나온다. 피겨 스케이팅 선수들이나 다른 스포츠 선수들은 이러한 과학적 지식을 알고 경기를 임했을까? 대부분 그렇지 않을 것 이다. 이처럼 자연스레 나오는 스포츠내의 과학은 말하지 않는 과학의 예술 이라 말할 수 있다. 근거를 토대로 앞으로 우리가 피겨스케이트와 그 외 여러 가지 스포츠에서 접근을 한다면 나날이 발전할 것이다.