놀이공원에 가면 스릴을 느끼게 하는 재미있는 놀이기구가 많이 있다. 이러한 놀이기구들의 배경이 되는 물리학적 원리에는 어떤 것이 있을까? 롤러코스터, 자이로드롭, 바이킹, 범퍼카, 왕문어춤 등을 중심으로 놀이기구 속에 숨어 있는 물리학에 대해 알아보자. 1. 놀이기구속의 물리 : 롤러코스터 놀이 공원의 놀이기구를 떠올릴 때 가장 먼저 생각나는 것이 아마 롤러코스터일 것이다. 높은 곳에서 아래로 내달리며 때로는 빠르게, 때로는 느리게 운동하며 360°로 회전했다가 다시 달려가는 곡예와 같은 운동을 한다. 그러나 롤러코스터에는 동력장치가 없다. 어떻게 이러한 운동이 가능할까? ▷ 작동원리
만약 롤러코스터와 레일, 공기와의 마찰을 무시한다면, 롤러코스터가 가장 높은 곳에 있을 때나 가장 낮은 곳에 있을 때나 또는 가장 빠를 때나 가장 느릴 때나 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다. 이것이 바로 역학적에너지 보존법칙이다. 이처럼 역학적 에너지는 일정하지만 롤러코스터가 달릴 때 위치에너지와 운동에너지는 서로 전환되면서 위치와 속도가 달라지게 된다. 에버랜드의 T-express는 나무로 만든 롤러코스터 가운데 가장 가파른 낙하 각도(77°)를 자랑하며 최고 속도는 104km/h이고 체감속도는 200km/h에 육박한다. ▷ 원운동시 떨어지지 않는 이유
롤러코스터가 회전할 때의 원심력은 중력의 3배가 넘기 때문에 중력에 의해 땅으로 떨어지지 않는다. 그리고 롤러코스터의 바퀴는 레일을 중간에 두고 ‘ㄷ자’ 모양으로 구성되어 있어서 빠르게 달려갈 때에나 회전할 때에도 레일을 벗어나지 않는다.
▷
작동원리 ▷ 제동방법 3. 놀이기구속의 물리 : 바이킹
▷ 작동원리 ▷ 바이킹의 주기
바이킹의 크기에 비해 줄이 매우 길고 진폭이 작은 경우에 바이킹도 근사적으로 단진자라고 할 수 있다. Plus Tip
* 대표적인 놀이기구의 G 값 - 롤러코스터 : 3.5G, 바이킹 : 2G, 독수리요새 : 2.5G.. 4. 놀이기구속의 물리 : 범퍼카 범퍼카는 페달과 핸들을 이용해 다른 차와 충돌하면서 스릴을 만끽하는 놀이기구이다. 차체가 충격에 잘 견디도록 만들어져 있기 때문에 다른 차와 부딪히는 충격에도 안전하다. ▷ 작동원리 바닥과 천장에 연결된 선이 직류전원 역할을 하여 동력을 제공한다. 따라서 범퍼카는 일종의 전기자동차라 할 수 있을 것이다. 범퍼카에 숨어 있는 물리적 원리라면 무엇보다도 작용-반작용 법칙과 운동량 보존법칙을 들 수 있다. 충돌시 두 물체 와 사이에 작용하는 힘의 크기는 서로 같으며 방향은 서로 반대이다. 이를 작용-반작용의 법칙이라고 하고 다음과 같이 나타낼 수 있다.
따라서 충돌시 자신의 운동방향과 같은 방향으로 힘을 받으면 속력이 증가하고, 반대방향으로 힘을 받으면 속력이 감소하게 된다. 이 과정에서 충돌전 운동량의 합은 충돌후 운동량의 합과 같은데 이를 운동량보존의 법칙이라고 한다.
또한 범퍼카는 부딪혀도 크게 다치지 않는데, 이름에서도 알 수 있듯이 범퍼에 그 비밀이 있다. 고무로 된 말랑말랑한 범퍼가 어떤 역할을 하는 것일까? 범퍼카는 충격을 받는 시간을 길게 해서 결국 힘을 적게 받는다. 범퍼의 역할은 바로 접촉시간을 늘이는 것으로 똑같은 높이에서 떨어지더라도 콘크리트위로 떨어지는 달걀을 깨어지지만 이불 위로 떨어지는 달걀은 깨지지 않는 이유와 같은 것이다. 5. 놀이기구속의 물리 : 왕문어춤
▷ 어지럼증이 나타나는
이유
* 예상문제 Q1-1) 열차 세 칸이 연결된 롤러코스터가 아래로 내려오고 있다. 최하점을 지날 때 어느 열차의 속력이 가장 빠를까? 그 이유에 대해 설명하시오. Q1-2) 놀이기구를 탈 때 왜
안전띠를 매야 하는지를 관성력을 도입해 설명하시오. Q2) 매우 긴 줄(바이킹의 크기에 비해)에 매달려 작은 진폭으로 움직이는 바이킹은 단진자의 운동으로 근사시킬 수 있다. 이 때 사람이 적게 탄 경우와 많이 탄 경우의 주기변화에 대해 설명하시오. Q2-1) 바이킹에서 가장 스릴을 느끼는
위치는? Q3) 그림과 같은 회전하는 놀이기구에 몸무게가 같은 철수와 영희가 의자 위에 앉아 있다. 두 사람이 느끼는 스릴은 누가 더 클까?
Q3-1) 놀이기구의 회전속도가 증가할수록 미끄러지기 쉬운 사람은 누구인가? |