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롤러코스터의 원리

롤러 코스터(Roller Coaster)는 어떠한 방식으로 움직이는가? 우리가 흔히 가볼 수 있는 놀이동산에는 청룡열차 또는 제트 코스터등으로 불리는 궤도열차가 있다. 이 궤 도 열차는 여러가지 종류가 있지만 여기에서 설명하고자 하는 것은 나선형(회전나사식)으로 회전하면서 진 행하는 방식을 말한다. 그림에서와 같이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하면서 그 위치에너지가 운동에너지로 바뀌면서 움직이며 거 꾸로 되어 있는 상태에서도 떨어지지 않고 원운동을 하면서 짜릿한 쾌감을 즐길 수 있는 것이 롤러 코스터 인 것이다. 위치에너지와 운동에너지는 무엇을 말하는가? 공을 하늘을 향하여 던졌을 때 최고점에서의 공은 그 높은 위치만큼 위치에 따른 에너지를 가지고 있다고 볼 수 있으며 반대로 움직일 수 있는 운동에너지는 0의(Zero) 상태라고 볼 수 있다. 다시 공이 떨어질 때를 생각하면, 높이가 낮아짐에 따라 위치에너지는 점점 감소하면서 떨어지는 속도가 빨라져 운동에너지는 증가 하게 된다. 땅에 닿는 순간에는 위치에너지가 0이 되면서 운동에너지는 최대가 된다. 이렇게 위치에너지와 운동에너지는 서로 역의 관계에 있다고 볼 수 있는 것이다. 기본점을 어디에 두느냐 에 따라서 그 크기는 달라질 수 있지만 우리는 그 기본점에 대하여는 문제 삼지 않아도 된다.(이러한 점까지 따진다면 벌써 생활과학의 수준을 벗어나니까) 이러한 상황을 그림으로 설명하면 아래와 같다. 어떠한 원리로 꺼구로 된 상태에서도 떨어지지 않는가? 바가지에 물을 담고 그것을 거꾸로 하면 당연히 쏟아지고 만다. 그러나 종이컵에 물을 담고 이 컵에 실을 매 어서 돌리면 (정월 보름날 쥐불놀이처럼) 물은 쏟아지지 않고 오히려 거꾸로 된 위치에서 위쪽으로 붙어있 게 된다. 이러한 현상은 구심력과 원심력이 작용하기 때문이다. 그림에서 실에 매어져 회전하고 있는 물체는 원의 중심점에 구심력이라는 힘이 작용한다. 또 이와 반대되는 힘으로 물체가 바깥쪽으로 튀어 나가려고 하는 원심력이 작용하게 되는데 이 두 힘은 평형을 이루게 된다. 롤러 코스터에 탑승하고 있는 사람도 궤도열차의 회전에 의하여 회전하는 원 바깥으로 밀려나는 힘을 받는 데 이 힘이 거꾸로 된 상태에서도 밑으로 떨어지지 않게 해주는 것이다. 이 때 열차의 속도는 계산에 의하여 규정된 속도이어야 하며 너무 늦게 돌면 떨어지게 되고, 빠르면 타고 있는 사람이 바깥쪽으로 향하는 힘이 너무 세어지게 되어 큰 중력을 받게 된다. 이 원심력은 여러가지 운동에서 발견할 수 있는데 자동차가 커브 길을 돌 때, 실험실의 원심분리기, 세탁기의 탈수장치등에서 볼 수 있다. 특히 앞으로 세워질 우주 정거장에서의 인공중력은 이러한 회전체의 원심력을 이용하여 만들어진다. 출처: 국립중앙과학관(http://www.science.go.kr/)
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