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스키속에 숨겨진 과학적 원리가 있나요?

스키의 계절이 다가왔다. 지금은 스키가 어느 정도 대중적인 스포츠로 자 리 잡고 있지만 원래의 스키는 적설량이 많은 지역에서의 유용한 교통수단 이었을 뿐이었다. 그래서 눈이 많은 노르웨이나 북유럽, 시베리아 일대에 서 스키는 일찍부터 겨울철의 주요한 이동 수단으로 널리 발달했던 것이 다. 그렇다면 눈이 많이 내리는 지역에서 스키는 왜 그토록 유용한 이용 수 단이 되는 것일까? 그 이유는 스키를 타고 있으면 쌓인 눈의 높이가 얼마이 든 큰 영향을 받지 않고 눈 위에 설 수 있기 때문이다. 일반적으로 아무것 도 신지 않고 눈 위에 서면 발이 푹푹 빠지기 마련이다. 그런데 스키를 타 면 눈의 높이에 크게 구애됨 없이 눈 위에 설 수 있다. 그것은 스키의 적절 한 압력분산에 의해 가능하다. 압력은 일정한 면적에 얼마만큼의 힘이 수직으로 작용하는가를 나타낸다. 그러므로 압력을 줄이기 위해서는 내리누르는 힘이 약하거나 힘을 받는 면 적이 넓어야 한다. 그래서 눈을 누르는 압력을 줄이기 위해 발바닥보다 표 면적이 넓은 스키를 신고 있으면 눈 속으로 푹 꺼지지 않고 똑바로 서 있 을 수가 있는 것이다. 스키가 설원 위를 상쾌하게 질주할 수 있게 하는 힘은 무엇일까? 복빙(復 氷) 현상과 마찰열이 적절히 어우러지는 결과다. 얼음에 압력을 가하면 힘 을 받은 부위가 일시적으로 녹았다가 압력을 제거하면 딱딱한 얼음으로 되 돌아간다. 이처럼 압력을 가하면 녹는점이 낮아져서 얼음이 물이 되고, 압 력이 사라진 후에는 원래의 상태로 복귀하는 것이 복빙 현상이다. 초대형 빙하가 이동하는 원리도 복빙 현상에서 기인한다. 거대한 만큼 내리 누르는 힘도 대단해서 빙하가 접한 바닥은 상상 외의 높은 압력을 받아 그 부분이 녹으며 빙하를 이동시키게 된다. 마찬가지 이유로 스키를 통해 내리 누르는 스키어의 압력이 눈의 온도를 높이고, 그래서 물로 변한 눈 표면이 윤활 작용을 해 스키를 원활하게 움직이도록 하는 것이다. 복빙 현상에 못지않게 중요한 것이 마찰열이다. 마찰은 두 물체가 서로 닿 아 비벼지는 것을 뜻하고, 모든 물체는 그때 예외 없이 열을 방출한다. 움 직이는 스키 바닥과 맞부딪치는 눈 표면도 마찰열을 발생하고, 그 열은 스 키가 접촉한 눈을 녹인다. 그러면 순간적으로 변한 물이 강력한 윤활 작용 을 해 스키의 미끄러짐으로 이어지게 된다. 한편, 여기서 흥미 있는 사실은 스키의 재질에 따라 스키어의 속도가 현저 히 달라진다는 사실이다. 1898년의 한 탐험대는 북극 횡단을 하면서 다음 과 같은 기록을 남겼다. “우리는 두 종류의 재질로 만든 썰매가 있다. 하나는 니켈이고, 다른 하나 는 단풍나무다. 그런데 영하 40도(섭씨) 근방에 이르자 니켈 썰매의 속도 가 현저히 떨어졌다.” 이것은 열전도의 차이를 보여주는 중요한 실례다. 다시 말해, 썰매의 날이 눈과 마찰해서 열을 발생시켜도 스키의 재질에 따라 그 열전도율이 달라진 다는 사실이다. 니켈은 열전도율이 높아 마찰열이 제대로 눈에 전달되지 못 하는 반면, 나무는 그와 반대로 눈을 상대적으로 많이 녹여 원활한 윤활 작 용으로 이어지게 한다는 것이다. 이런 이유로 스키의 재질은 열전도율이 낮 은 물질을 이용한다. 스키가 눈 위를 신나게 질주할 수 있는 데에는 우리가 인식하지 못했던 이 러한 물리학적 원리가 숨어 있기 때문이라는 사실을, 한 번쯤 떠올려보면 서 스키를 즐겨보는 것도 좋지 않을까 한다.(송은영/ 과학칼럼니스트) ★인터넷>KISTI의 과학향기中 발췌했습니다.
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