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2018 봄호 / 공대생이 보는 세상 / 놀이동산

2018-04-19 193

공대생이 보는 세상 / 놀이동산

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신소재공학과가 본 놀이동산

뭐? 티익스프레스가 너무 위험해서 같이 못 타겠다고? 긴 줄을 기다려서 여기까지 왔는데 그렇게 말하면 어떡해! 내 설명을 한 번만 들어봐. 흔히 롤러코스터를 생각하면 어떤 것이 떠올라? 무섭다? 빠르다? 철로 만들어져 있다는 것도 떠올릴 수 있지? 철제 롤러코스터는 비교적 트랙을 단단하게 만들 수 있어서 부드러운 운행을 즐길 수 있고 트랙도 더 다양하게 만들 수 있다는 장점이 있어. 반면에 티익스프레스는 우든코스터(Wooden Coaster)야. 말 그대로 트랙과 구조물을 나무로 제작한 롤러코스터를 말하지. 티익스프레스의 설명을 보면 탑승객이 탄 차량의 바퀴와 바퀴가 접하는 레일을 제외한 전체가 목재로 만들어진 것이라고 되어있어. 그런데 이 말이 모두 맞는 것은 아니야! 바퀴나 레일 이외에도 하이빔이나 강철 기둥 또한 철로 만들어진 것들이야. 그리고 혹시 티익스프레스를 만드는 데 사용된 나무가 산에 있는 나무랑 같다고 생각하는 것은 아니겠지? 우든코스터에는 연목재인 침엽수 중에서도 단단한 전나무 류인 남부황소나무나 홍송 등이 주로 가공되어 사용돼. 가공의 핵심은 가압주입 방식! 즉, 나무에 강한 압력을 주고 방염제와 방부제 처리를 해서 만드는 것이지. 그 중에서도 티익스프레스는 조금 다른 소재를 사용했어. 핀란드산의 전나무 등을 고온고압에서 무려 9겹이나 눌러서 만들었는데, 그 과정에서 나무의 물기를 모두 제거하고 구리, 크롬, 붕소 등을 주입시켰어. 한 마디로 겉보기에 나무처럼 보일 뿐 강철 이상의 강도를 가진 합성 신소재라고 부를 수 있다는 거야. 그래서 다른 우든코스터에 비해서 압도적인 안전성을 자랑하는 동시에 철제 롤러코스터만 가능했던 급격한 회전운행을 가능하게 해줬어. 어때, 이제 조금 두려움이 사라졌지? 오, 드디어 우리 차례가 됐어! 어서 타러 가보자!

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알리미 22기 최형석 | 신소재공학과 16학번

물리학과가 본 놀이동산

놀이동산 정말 오랜만에 와보는 것 같다! 주말이라 사람도 많고 줄도 길지만 너무 설레는 걸! 와, 저 롤러코스터 경사 좀 봐! 거의 70도는 돼 보이는걸? 안 그래도 급경사인데 더 무섭게 왜 경사 직전에 멈추는 거야… 도대체 얼마나 빠르게 내려오는 걸까? 자, 그러면 초속도가 0이고 높이가 40m쯤 되어 보이니까 40/sin70의 거리를 gsin70의 가속도로 이동하겠네! 중력가속도 g는 9.8m/s2이니까 등가속도 공식을 사용하면 내려오는 데 걸리는 시간은 3.04초에 불과하군. 다 내려왔을 때의 속도는 28m/s가 되고 km/h 단위로 환산하면 100.8km/h이네. 엄청 빠르잖아ㅜㅜ 하지만 실제로는 레일과 차량 간의 마찰이 존재할 테니까 가속도가 gsin70보다 작아서 내려오는 데 좀 더 긴 시간이 걸릴 거야. 수직항력이 mgcos70이니까 gsin70에서 운동마찰계수*gcos70을 뺀 값이 가속도가 되겠지? 그리고 하강하면서 발생하는 공기 저항도 생각하면 모두 내려 왔을 때의 속도도 실제로는 더 작을 거야. 복잡하다, 복잡해! 급경사말고 다른걸 생각해보자. 여기에는 360도 회전 구간도 있구나! 어떻게 차량이 뒤집어져도 레일에서 벗어나지 않을 수 있는 걸까? 음, 실제로는 레일에 바퀴가 연결되어 있어서 그런 것일 테지만 고정되어 있지 않아도 레일에서 벗어나지 않고 회전할 수 있지 않을까? 롤러코스터 출발 지점이 높은 곳에 있으니까 충분한 속도를 얻을 수 있을 거라구! 출발 지점 높이를 h, 회전 반경을 R, 회전 구간 최고점에서의 속력을 v로 두자. 회전 구간의 최고점에서도 레일을 벗어나지 않으려면 중력 mg보다 원심력 mv2/R이 커서 수직항력이 0보다 커야 해. 에너지 관점에서 봤을 때 출발 지점에서의 위치에너지 mgh는 회전 구간의 최고점에서 위치에너지 2mgR과 운동에너지 mv2/2의 합과 같은데 첫 번째 조건에 의해 mv2/2 > mgR/2 의 관계가 성립해. 따라서 mgh > 2mgR + mgR/2 = 5mgR/2 이 되고 출발 지점의 높이는 회전 반경의 2.5배보다 커야 하는구나. 신기한 걸! 엇, 머리 좀 쓰고 있었더니 벌써 줄이 다 줄어든 걸! 이제 즐기러 가야겠다~

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알리미 23기 이진현 | 신소재공학과 17학번

기계공학과가 본 놀이동산

봄에는 역시 놀이공원이 최고지~ 우와아아, 사람 진짜 많아! 줄도 엄청 기네ㅠ 그럼 기다리는 동안 놀이기구들 속에 숨은 과학을 찾아보도록 할까? 놀이공원은 일종의 기계 집합소라고 할 수 있어. 이 수많은 놀이기구들이 모두 기계이니 말이야. 롤러코스터, 바이킹, 자이로드롭 등의 설계와 제작, 제어 설비 모두 기계공학의 손을 거치지 않은 곳이 없다구. 그럼 몇 가지 놀이기구 속 기계공학적 요소들을 상세히 살펴보자. 우선 바이킹을 보도록 할게. 바이킹은 선체 양끝이 회전축과 연결되어 있어 이를 중심으로 진자운동을 반복하는 놀이기구야. 바이킹의 진자운동을 가능하게 하는 건 선체 밑에 달린 모터야. 바이킹마다 다르긴 하지만 보통 한 개 혹은 두 개의 모터가 있어 바이킹에게 운동에너지를 부여해. 바이킹의 진행방향으로 모터가 돌면서 바이킹에 속도를 가하는 거지. 멈출 때도 마찬가지로 모터가 바이킹 진행방향의 반대방향으로 돌아가 속도를 낮춰 서서히 멈추게 되는 거야. 이를 이용해 75도 각도 이상으로 올라가는 긴장감과 내려올 때 57km 이상의 속력의 스릴을 즐길 수 있는 거지. 다음은 롤러코스터를 살펴볼까? 사실 롤러코스터에는 설계 제작 외엔 크게 기계적 요소가 들어가지 않았어. 이유는 롤러코스터의 작동 방식에 알 수 있어. 롤러코스터는 처음 출발한 뒤 높은 경사를 올라가게 돼. 이 때 롤러코스터는 체인에 이끌려 레일의 정상까지 올라가게 돼. 체인에 사용되는 전기에너지를 롤러코스터의 위치에너지로 바꾸어주는 과정이지. 그 뒤 롤러코스터는 전력 공급 없이 오직 올라가는 과정에서 받은 위치에너지를 사용하여 레일을 주행하게 되는 거지. 또 롤러코스터가 360도 회전할 때 왜 떨어지지 않는지 궁금하지 않아? 이는 롤러코스터에 작용하는 원심력과 구심력이 힘을 이뤄 밖으로 나가지 않게 되는 거야. 다른 여러 놀이기구에도 이런 과학적 요소가 숨어있다니. 정말 놀랍다! 직접 몸소 체험하면서 찾아보겠어! 그럼 안녕~

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알리미 22기 장영석 | 산업경영공학과 16학번

전자전기공학과가 본 놀이동산

(꺄아아아아아악!) 이게 무슨 소리지? 아! 자이로드롭이 떨어지고 있었구나. 보기만 해도 높이가 아찔한 걸? 근데, 수십 미터를 올라가서 3초 만에 떨어지는 이 자이로드롭, 어떤 원리인지 알아? 자이로드롭의 탑승석 뒤에는 말굽 모양의 자석이 붙어있어. 그리고 자이로드롭 하단부에는 금속판들이 여러 개 붙어있는데, 자석이 하단부에 있는 금속을 빠른 속도로 지나게 되면 금속 내부에 자기력선속이 크게 변하게 돼. ‘자기력선속이 변하면 그 선속변화를 방해하는 방향으로 기전력이 생긴다!’ 맞아, 페러데이 전자기유도법칙에 의해서 자이로드롭이 강한 반발력을 받게 되는 거지. 이때 생긴 기압변화로 거친 바람이 일어 나무가 크게 흔들리고, 빠른 속도로 내려오던 기구는 멈추게 돼! 뭐야, 이렇게 설명해줘도 자이로드롭이 무섭다고? 그럼 저기 보이는 범퍼카나 타러 갈래? 범퍼카는 차 뒤에 붙어있는 저 쇠막대기가 없으면 무용지물이나 마찬가지야. 범퍼카의 바닥은 음전하를 띠고 천장은 양전하를 띠고 있는데, 범퍼카의 쇠막대기를 사이에 두고 천장과 바닥 사이의 전위차에 의해 전자가 이동하게 돼. 그때 그 전자의 움직임이 운동에너지로 변하게 되면서 범퍼카가 움직이게 되는 거야. 이 과정에서 전자는 쇠막대기를 타고 이동하는데, 운동에너지로 변하지 못한 전자는 천장으로 흐르게 되고, 정전기가 되어 소멸돼. 그 과정에서 천장에서 스파크가 튀곤 하지. 범퍼카의 천장과 바닥은 전류가 잘 흘러야 하는 만큼, 늘 관리해 준다고 해. 녹이 슬거나 먼지가 쌓이는 등의 문제가 발생하면 범퍼카 운행에 문제가 있을 수 있거든. 또, 긴 풍선을 들고 들어가면 감전의 위험도 있는 거, 당연히 알고 있겠지? 아! 정신없이 설명하다보니 벌써 우리 차례야! 그럼 나 먼저 타러 간다. 안녕~

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알리미 23기 서재민 | 생명과학과 17학번