6월의 테마 | 롤러코스터의 아찔한 비밀

높이가 만드는 무동력 스피드

롤러코스터를 타는 모습을 상상해 봅시다. 열차는 출발과 함께 가장 높은 지점을 향해 올라갑니다. 여기서 롤러코스터의 위치 에너지는 최대가 되고, 최고점에 다다른 열차는 이내 땅을 향해 곤두박질칩니다. 이 과정에서 위치 에너지는 운동 에너지로 전환되며 속도는 점점 빨라집니다.

위, 아래가 교차되는 코스를 따라 이동하면서 롤러코스터의 위치 에너지와 운동 에너지는 전환을 반복하고, 그 힘으로 엔진 동력 없이도 멈추지 않고 이동할 수 있게 됩니다.

구심력과 원심력의 마법

롤러코스터가 레일을 타고 360도로 회전할 때 우리는 열차 바깥으로 튕겨져 나갈 것 같은 느낌을 받습니다. 롤러코스터의 원운동으로 인해 원심력이 작용하기 때문입니다. 그런데 롤러코스터의 꼭대기에 거꾸로 매달려 있어도 사람들은 아래로 떨어지지 않습니다. 같은 크기의 중력과 구심력이 원심력과 반대 방향으로 작용해 힘의 평형을 이룬 덕분입니다.

가속도, 스릴의 정점을 찍다

롤러코스터의 스릴은 가속도에 의해 결정됩니다. 최고 시속 100km 정도의 롤러코스터가 3배 이상 빠른 KTX보다 스릴 있게 느껴지는 건, 사람이 정확한 속도가 아닌 속도가 얼마나 빨라지고 있는지를 느끼기 때문입니다. 열차를 탄 사람들이 창문 밖으로 스쳐 지나가는 풍경을 보고 열차의 속도를 가늠하는 것처럼 말이죠. 평균 속도는 열차보다 느리지만 롤러코스터는 더 짧은 시간에 급격하게 속도가 빨라지기 때문에 스릴감을 느낄 수 있는 것입니다.

곡선 코스 설계의 비밀

롤러코스터의 코스 설계 속에도 놀이 기구의 재미를 극대화하기 위한 비밀이 있습니다. 바로 사이클로이드 곡선인데요. 사이클로이드는 낙하하는 물체가 도착 지점까지 도달하는 데 걸리는 시간이 다른 어떤 궤적보다 짧은 것이 특징입니다. 같은 높이의 직선과 곡선 코스에서 물체를 떨어뜨렸을 때, 거리가 짧은 직선 코스에서 물체가 더 빨리 떨어질 것 같지만 실제로는 경로를 타고 내려가며 붙는 가속도로 인해 곡선에서 속도가 더 빠릅니다. 이러한 원리로 롤러코스터의 곡선 코스에서 더 짜릿한 속도감을 느낄 수 있습니다.