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- 피겨 스케이팅 쿼드러플 점프, 초당 최대 6회전. 스핀 기록은 분당 342회전 기록
- 슬로프 점프, 착지 직전에는 회전 속도 줄이고 안전하게 착지하기 위해 다시 몸을 펴준다.
- 컬링 스톤의 질량은 17.24kg에서 19.96kg 사이

악셀, 공중제비, 피루엣 : 회전, 압력, 그리고 질량의 중요성

프리스타일 스키의 예술적인 점프든 피겨 스케이팅의 점프와 피루엣(pirouette; 발레에서 한쪽 발로 서서 빠르게 회전하는 것)이든, 회전은 동계 올림픽의 여러 종목에서 매우 중요한 역할을 한다. 선수들은 몸을 빠르고 충분히 회전시켜야만 필요한 동작을 수행할 수 있다. 하지만 공중으로 도약하려면 근력과 압력 또한 필요하다.

회전: 6Hz의 쿼드러플 점프

물리학적으로 회전은 축을 중심으로 한 회전으로 정의된다. 피겨 스케이팅의 경우, 이 축은 일반적으로 세로축이며, 프리스타일 스키에서는 가로축을 중심으로 한 회전일 수도 있다. 회전 속도는 단위 시간당 회전 횟수로 결정되며, 분당 회전수(RPM) 또는 헤르츠(Hz)로 표시된다. 헤르츠는 초당 1회전에 해당한다. 회전 속도가 높을수록 회전 운동에 더 많은 에너지가 저장된다. 

▲ 피겨 스케이팅 점프의 목표는 자신의 축을 중심으로 최대한 많은 회전을 하는 것이다. © Rama/ CC-by-sa 4.0

피겨 스케이팅에서 올림픽 참가자들은 때때로 엄청난 회전 속도에 도달한다. 미국의 올림픽 선수 일리아 말리닌(Ilia Malinin)과 같은 피겨 스케이팅 선수들은 쿼드러플 점프를 하는 동안 초당 최대 6회전을 한다. 피겨 스케이팅 스핀 기록은 분당 342회전으로, 초당 5.7회전에 해당한다.

스핀 효과

피겨 스케이팅 스핀뿐만 아니라 프리스타일 스키의 트위스트와 공중제비에서도 또 다른 효과가 작용한다. 피겨 스케이팅 선수는 처음에는 팔을 쭉 뻗어 추진력을 얻습니다. 그런 다음 팔을 몸쪽으로 당기면 회전 속도가 빨라진다. 물리적으로 이 스핀 효과는 각운동량 보존 법칙에 기반한다. 이 법칙은 외부 영향이 없는 한 각운동량, 즉 운동량은 보존된다는 것이다.

피겨 스케이팅 선수가 팔을 몸쪽으로 당기면 질량 중심이 회전축에 더 가까워지므로 물리적으로 관성 모멘트가 감소한다. 각운동량은 관성 모멘트에 회전 속도를 곱하여 계산되므로, 회전 속도가 증가하여 피루엣이 더 빨라진다.

▲ 피루엣 동작 중 피겨 스케이터는 팔과 다리를 바깥쪽으로 뻗으면 회전 속도가 느려지고, 팔다리를 안쪽으로 당기면 더 빠르게 회전한다. © Sandro Halank / Wikimedia Commons, CC-by-sa 4.0

프리스타일 스키에도 비슷한 원리가 적용된다. 하프파이프나 슬로프에서 점프하는 동안 공중에서 최대한 빠르게 회전하기 위해, 선수들은 공중에서 팔과 다리를 몸에 최대한 가깝게 모은다. 착지 직전에는 회전 속도를 줄이고 안전하게 착지하기 위해 다시 몸을 펴준다.

압력: 표면적이 중요하다

동계 올림픽의 많은 종목에서 압력은 매우 중요하다. 이는 단순히 경기력에 대한 압력만을 의미하는 것이 아니다. 물리적인 압력 또한 중요한 역할을 한다. 크로스컨트리 스키 선수들은 스키가 눈에 가하는 압력을 이용하여 경사면에서도 앞으로 나아갈 수 있다. 알파인 스키나 슬라롬 스키에서는 스키 엣지에 가해지는 압력의 분포가 게이트를 통과하는지를 결정한다. 피겨 스케이팅에서 도약 시 스케이트 날에는 높은 압력이 발생한다.

압력은 특정 면적에 작용하는 힘으로 인해 발생한다. 예를 들어, 1뉴턴의 힘이 1제곱미터에 작용하면 1파스칼(Pa)의 압력이 된다. 힘이 집중되는 면적이 작을수록 압력은 커진다. 이는 피겨 스케이팅에서 특히 두드러지는데, 폭이 약 0.5mm에 불과한 날에는 최대 100만 파스칼에 달하는 압력이 가해질 수 있다.

질량과 무게

질량은 대부분의 동계 올림픽 종목에서 중요한 요소다. 선수 본인의 무게뿐 아니라 장비의 무게도 마찬가지다. 예를 들어 크로스컨트리 스키에서는 너무 무거우면 불리하다. 선수들은 이 무게를 근력으로 버텨야 하기 때문이다. 피겨 스케이팅도 마찬가지다. 올림픽 선수들의 체중이 무거울수록 점프에 더 많은 힘이 필요하다. 하지만 만약 동계 올림픽이 화성에서 개최된다면, 선수들은 훨씬 수월하게 경기를 펼칠 수 있을 것이다.

▲ 아이스 스케이트의 좁은 날은 높은 압력을 받는다. © Santeri Viinamäki/ CC-by-sa 4.0

핵심은 질량과 무게의 차이다. 물체의 질량은 우주 공간에서 무중력 상태로 떠 있든 지구에 있든 변하지 않는다. 예를 들어 컬링 스톤의 질량은 17.24kg에서 19.96kg 사이인데, 이는 궤도에 있든 화성에 있든 동일하다. 하지만 물리적 무게는 그렇지 않다. 무게는 중력장이 물체에 가하는 힘으로 정의된다.

지구에서 무게는 물체의 질량에 중력 가속도(9.81m/s²)를 곱하여 계산한다. 하지만 중력이 약한 곳에서는 무게도 달라진다. 질량이 19kg인 컬링 스톤은 지구에서 약 186N의 무게를 가집니다. 하지만 화성에서는 중력이 지구의 약 3분의 1에 불과하기 때문에 같은 스톤의 무게는 약 70N밖에 되지 않는다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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