피겨 스케이트의 김연아 선수가 세계 최고의 ‘은반 요정’에 등극하고 강원도 평창의 2014년 동계올림픽 개최 가능성도 무르익어 가면서 동계 스포츠에 대한 관심이 어느 때보다 고조되고 있다. 특히 우리의 금메달 텃밭인 쇼트트랙 경기는 어느 대회이건 늘 기쁨을 전해 준다. 이같은 눈과 얼음 위의 스포츠에도 기본적인 물리 법칙과 함께 첨단 과학이 숨어 있다.

■쇼트트랙 스케이트날 면적 최소화

쇼트트랙 선수들이 신는 스케이트 날을 자세히 보면 가운데가 양 끝보다 5∼6㎜ 정도 불룩한 곡률을 지닌다.

쇼트트랙은 땅콩 모양의 좁은 경기장에서 코너링 위주로 진행된다.

때문에 날을 둥글게 깎아 얼음판에 닫는 면적을 최소화해야 원심력을 이겨내며 안정적이면서도 빠르게 회전할 수 있다.

스케이트 날의 위치도 스케이트화 바닥 중심선에 붙어 있지 않고 약간 왼쪽으로 휘어져 있다.

이것 역시 회전을 쉽게 하기 위한 것이다.

반면 스피드 스케이팅은 얼음판에 닿는 날의 면적이 고를수록 차는 힘이 강해져 속도를 더 낼 수 있다.

때문에 스케이트 날을 평평하게 간다. 특히 대부분의 선수들은 뒷날굽이 떨어지는 ‘클랩(clap) 스케이트’를 착용한다.

지치는 순간 날이 최대한 표면에 붙어 있게 해 마찰열을 증가시켜 속도를 내기 위한 것이다.

■피겨 회전연기 ‘각운동량 보존법칙’

피겨 스케이트 선수들이 빠지지 않고 보여 주는 것이 ‘회전 연기’이다. 한 자리에서 처음엔 한 발을 축으로 다른 발과 머리를 회전 중심으로부터 멀리 벌어지게 해 움츠린채 느린 속도로 돈다.

그 다음 팔과 다리를 서서히 오므리면서 일자로 만들면 팽이돌듯 빠르게 회전하게 되고, 이 때 관중의 환호성은 터져 나온다.

선수들이 팔과 다리를 오므리고, 몸을 세울수록 회전 속도가 빨라지는 것은 ‘외부의 힘이 작용하지 않을 때 원운동을 하는 물체의 각운동량은 일정하다.’는 ‘각운동량 보존 법칙’으로 설명할 수 있다. 각 운동량은 운동의 회전 성질을 나타내 주는 양으로 ‘각운동량=회전관성(회전축에서 질량까지의 거리:회전반경)×회전속도’라는 도식으로 구할 수 있다.

다시 말해 각운동량은 일정하기 때문에 피겨 스케이팅 선수가 벌렸던 팔과 다리를 좁히고 몸을 세워 회전 반경을 좁히면 회전 속도는 빨라져 빠르게 회전할 수 있는 것이다.

■스키·스노보드 마찰열과 복빙(復氷) 현상

스케이트와 스키, 스노보드는 마찰열과 복빙 현상을 이용해 힘차게 내려갈 수 있다.

스케이트 날이나 스노보드 바닥 표면이 얼음과 눈 위로 압력을 가하면 표면 온도가 상승하게 된다. 마찰열이 생겨나는 것이다.

당연히 온도가 오르면 그 부분이 녹아 물로 변하고 얇은 수막을 형성해 잘 미끄러지도록 윤활 작용을 하는 것이다. 수영장 미끄럼틀에서 잘 내려 오도록 물을 흘려 주는 것과 같은 이치다.

2002년 미국 솔트레이크시티 동계올림픽에서는 눈과의 마찰열을 보다 빨리 흡수, 하강 속도를 높이기 위해 ‘인듐’이란 신소재를 바닥에 입힌 신개념 스노보드가 등장하기도 했다.

■경기복 미세구멍 공기저항 감소

스피드를 겨루는 경기에서 선수들은 공기 저항과의 한판 대결부터 벌여야 한다. 선수들은 공기 저항을 줄이기 위해 특수 재질로 만들어진 경기복을 입는다. 대부분의 경기복에는 미세한 홈이 있는데 이 홈이 공기의 흐름을 매끄럽게 한다. 골프공 표면에 작은 홈을 촘촘하게 만들어 멀리 날아갈 수 있도록 한 것과 같은 원리다. 스키 선수들이 몸에 착 달라 붙는 경기복을 입고 가슴을 허벅지 가까이 붙일 정도로 상체를 숙인 채 질주하는 것도 공기저항을 최대한 줄이기 위해서다.

한편 쇼트트랙 선수들이 코너를 돌 때 몸을 안쪽으로 기울이고 왼손을 바닥에 짚는 이유는 밖으로 밀려 나가는 ‘원심력’을 상쇄시켜 최대한 회전 반경을 줄이기 위한 방편이다.

이영표기자 tomcat@seoul.co.kr