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[KISTI의 과학향기] 스키 속에 숨겨진 물리학적 원리를 찾아서...



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스키의 계절이 다가왔다.
 지금은 스키가 어느 정도 대중적인 스포츠로 자리 잡고 있지만 원래의 스키는 적설량이 많은 지역에서의 유용한 교통수단이었을 뿐이었다. 그래서 눈이 많은 노르웨이나 북유럽, 시베리아 일대에서 스키는 일찍부터 겨울철의 주요한 이동 수단으로 널리 발달했던 것이다. 그렇다면 눈이 많이 내리는 지역에서 스키는 왜 그토록 유용한 이용 수단이 되는 것일까? 그 이유는 스키를 타고 있으면 쌓인 눈의 높이가 얼마이든 큰 영향을 받지 않고 눈 위에 설 수 있기 때문이다. 일반적으로 아무것도 신지 않고 눈 위에 서면 발이 푹푹 빠지기 마련이다. 그런데 스키를 타면 눈의 높이에 크게 구애됨 없이 눈 위에 설 수 있다. 그것은 스키의 적절한 압력분산에 의해 가능하다. 



압력은 일정한 면적에 얼마만큼의 힘이 수직으로 작용하는가를 나타낸다. 그러므로 압력을 줄이기 위해서는 내리누르는 힘이 약하거나 힘을 받는 면적이 넓어야 한다. 그래서 눈을 누르는 압력을 줄이기 위해 발바닥보다 표면적이 넓은 스키를 신고 있으면 눈 속으로 푹 꺼지지 않고 똑바로 서 있을 수가 있는 것이다.








스키가 설원 위를 상쾌하게 질주할 수 있게 하는 힘은 무엇일까? 복빙(復氷) 현상과 마찰열이 적절히 어우러지는 결과다. 얼음에 압력을 가하면 힘을 받은 부위가 일시적으로 녹았다가 압력을 제거하면 딱딱한 얼음으로 되돌아간다. 이처럼 압력을 가하면 녹는점이 낮아져서 얼음이 물이 되고, 압력이 사라진 후에는 원래의 상태로 복귀하는 것이 복빙 현상이다. 



초대형 빙하가 이동하는 원리도 복빙 현상에서 기인한다. 거대한 만큼 내리누르는 힘도 대단해서 빙하가 접한 바닥은 상상 외의 높은 압력을 받아 그 부분이 녹으며 빙하를 이동시키게 된다. 마찬가지 이유로 스키를 통해 내리누르는 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 닿아 비벼지는 것을 뜻하고, 모든 물체는 그때 예외 없이 열을 방출한다. 움직이는 스키 바닥과 맞부딪치는 눈 표면도 마찰열을 발생하고, 그 열은 스키가 접촉한 눈을 녹인다. 그러면 순간적으로 변한 물이 강력한 윤활 작용을 해 스키의 미끄러짐으로 이어지게 된다.







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by. clipartkorea




한편, 여기서 흥미 있는 사실은 스키의 재질에 따라 스키어의 속도가 현저히 달라진다는 사실이다. 1898년의 한 탐험대는 북극 횡단을 하면서 다음과 같은 기록을 남겼다.



“우리는 두 종류의 재질로 만든 썰매가 있다. 하나는 니켈이고, 다른 하나는 단풍나무다. 그런데 영하 40도(섭씨) 근방에 이르자 니켈 썰매의 속도가 현저히 떨어졌다.”



이것은 열전도의 차이를 보여주는 중요한 실례다. 다시 말해, 썰매의 날이 눈과 마찰해서 열을 발생시켜도 스키의 재질에 따라 그 열전도율이 달라진다는 사실이다. 니켈은 열전도율이 높아 마찰열이 제대로 눈에 전달되지 못하는 반면, 나무는 그와 반대로 눈을 상대적으로 많이 녹여 원활한 윤활 작용으로 이어지게 한다는 것이다. 이런 이유로 스키의 재질은 열전도율이 낮은 물질을 이용한다.



스키가 눈 위를 신나게 질주할 수 있는 데에는 우리가 인식하지 못했던 이러한 물리학적 원리가 숨어 있기 때문이라는 사실을, 한 번쯤 떠올려보면서 스키를 즐겨보는 것도 좋지 않을까 한다.










글 : 송은영/ 과학칼럼니스트
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