롤러코스터의 물리학
내년 여름, 오하이오 샌더스키에 있는 놀이공원 세다 포인트는 세계에서 가장 빠르고 길고 높은 롤러코스터를 선보일 계획입니다. 발라븐이라는 이름의 이 롤러코스트는 20층 높이인 60미터에서 땅으로 수직낙하해 사람들에게 무중력 상태를 느끼게 할 수 있습니다.
롤러코스터는 열차를 먼저 높은 곳으로 끌어올림으로써 중력에 의한 위치에너지를 열차에 저장합니다. 이 에너지의 크기는 열차의 질량과 열차가 올라간 높이에 비례합니다. 이제 열차가 떨어지는 동안 이 위치에너지는 운동에너지로 바뀝니다. 따라서 열차가 높이 올라갈수록 열차는 더 가속될 수 있습니다.
1959년에 강철로 만들어진 롤러코스터가 발명되면서, 롤러코스터의 높이는 더 높아질 수 있었습니다. 강철은 나무보다 더 견고했으며, 먼 곳에서 제작된 후 놀이공원으로 운반해 조립할 수 있는 이점이 있었습니다.
또한 철제 롤러코스터에는 필요한 지지대 숫자가 더 적었습니다. 그리고 마찰로 인한 에너지 손실도 적었습니다. 이론적으로는, 마찰이 없다면 출발 시의 높이까지 올라가지 않는 한 열차는 무한히 움직일 수 있습니다. 에너지 보존법칙에 의해 오르락 내리락을 반복할 때 위치에너지와 운동에너지를 주고 받으면서 영원히 운동할 수 있습니다.
열차를 가속하는 방법에는 높이 외에도 출발시의 전자기적 추진력, 또는 장력이나 수력, 압축 공기의 힘 등이 있습니다. 이런 류의 롤러코스터 중에는 2초만에 시속 130km에 도달하도록 만들어진 것들도 있습니다.
비록 놀이공원들은 각자 롤러코스터의 최고 속도를 자랑하고 있지만, 롤러코스터의 최고 속도가 기술적으로 극한까지 추구되고 있지는 않습니다. “속도의 면에서 보자면, 롤러코스터는 그렇게 빠르지 않습니다. 기차나 비행기가 훨씬 더 빠르지요.”
그 가장 큰 이유는 고속을 내는 데 필요한 가속도입니다. 롤러코스터에서는 단 몇 초 만에 최고 속도에 도달해야 합니다. 이 때문에 탑승자는 우주비행사처럼 g-포스를 느끼게 됩니다. G-포스는 인간에게 치명적일 수 있지만, 그 원리가 잘 알려져 있기에 롤러코스트는 처음부터 탑승자가 위험에 처하지 않도록 설계됩니다.
“롤러코스터에서 머리의 피가 발 끝으로 몰리는 것 같은 느낌을 받는 이유가 g-포스 때문입니다.” NASA에서 신체에 미치는 g-포스의 영향을 연구하는 릴랜드 스톤의 말입니다. “훈련 받지 않은 이의 경우 2~3 g를 겨우 수 초 동안 견딜 수 있을 뿐입니다.”
가속도가 너무 커질 경우, 눈과 뇌로 피가 흐르지 못하게 됩니다. 이 시간이 길어지면, 일시적으로 시각 또는 의식을 잃게 됩니다. 그러나 롤러코스터에서 느끼는 g-포스는 일시적이며, 따라서 이런 위험이 없습니다. “가속도에 의해 머리로 피가 많이 몰려드는 상황이 가장 위험합니다.” 스톤은 이 경우 뇌졸중에 빠질 수 있다고 말합니다. 롤러코스터는 탑승자의 자세를 이용해 언제나 피가 머리에서 발로 흐르도록 만들어집니다. “따라서, 롤러코스터에 거꾸로 타는 것은 매우 위험한 일입니다.”
기술자들은 이를 고려해 위험 없이 스릴을 느낄 수 있도록 롤러코스터를 디자인합니다. 어떤 극단적인 롤러코스터는 승객이 6.5 g를 느끼게 만든 경우도 있습니다. 이는 우주비행사가 발사대에서 느끼는 정도나 NASCAR 드라이버가 코너를 돌 때 느끼는 정도보다도 더 큰 값입니다. 여기서 비밀은 시간에 있습니다. 우주비행사가 4g를 수 분 동안 견뎌야 하는 반면, 이 롤러코스터에서 6.5g는 기껏 1초 정도 지속됩니다. 롤러코스터는 6g의 경우 1초, 4g의 경우 1~2초 이상을 가하지 못하도록 제한되어 있습니다.
놀이공원들은 계속 새로운, 과거의 기록을 깨는 탈 것들을 만들고 있지만, 그 기록들을 제한했던 것은 기술적 문제나 인간의 문제가 아니라 경제적인 문제였습니다. 더 크고 빠른 탈 것을 만들기 위해서는 더 많은 공간과 특수한 재료가 필요하며 제작기간도 오래 걸립니다. 이는 결국 더 많은 비용을 의미합니다.
그러나 진정한 모험가들에게는 점점 더 다양한 방법들이 제공되고 있습니다. 예를 들어, 칼텍의 히커슨은 롤러코스터에 대해 양가적 감정을 가지고 있습니다. 그는 차라리 “로켓을 타보고” 싶다고 이야기합니다.
(사이언티픽 아메리칸)