흥미돋 (물리학) 의외로 롤러코스터에 빨리 도입된 것은?

[흥미돋는글]

출처: https://www.fmkorea.com/6824545324

아래에 있는 두개의 롤러코스터는 둘다 360도로 뒤집어지고 있습니다.

왼쪽은 고리모양, 오른쪽은 나선모양 트랙을 따라 움직이고 있네요.

(참고로 두 롤러코스터는 그림에 나오는 고리/나선모양트랙을 처음으로 도입한 코스터입니다.)

여기서 문제,

(개장일 기준) 고리모양 트랙과 나선모양 트랙 롤러코스터는 언제, 어떤것이 먼저 완성되었을까요?

정답: 왼쪽 롤러코스터가 더 빨리 완성되었습니다.

딱 보기에도 왼쪽의 수직루프가 더 만들기 쉬워보이니까 뻔하다면 뻔한 답.

하지만 오른쪽 롤러코스터가 왼쪽보다 고작 일주일 뒤에 개장했다는 점은 예상하신 분이 없을거예요.

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1. 수직 루프의 역사

(아래 링크의 글을 읽고 오시기를 추천드립니다.

https://www.fmkorea.com/4783868479)

엄밀하게 따지면 열차를 뒤집는 수직루프는 훨씬 옛날인 1840년대부터 여러차례 만들어졌다고 해요.

하지만 그런 롤러코스터들은 제외할 수 밖에 없었는데..

그렇게 만들어진 롤러코스터들은 죄다 탑승객들의 목을 작살내는 흉악한 물건이었기 때문입니다.

수직 루프구간에 진입할때 순간적으로 10G가 넘는 가속도가 작용해 탑승객들의 목부상이 빈번하게 일어나게 되었습니다.

이 문제를 해결한 롤러코스터는 1976년에 나온 뉴 레볼루션 (The New Revolution)입니다. 

(이 글 처음에 왼쪽 사진에 나온 롤러코스터입니다)

수직루프 구간의 가속도 문제는 클로소이드라는 곡선을 이용해 해결했는데,
자세한 원리는 위에 제가 링크해놓은 글에 설명해놨으니 여기서는 생략할게요.

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2. 열차를 안전하게 뒤집는 두번째 방법

열차를 안전하게 뒤집는 법은 클로소이드도 있지만 다른 방법도 있는데, 바로 코르크스크류랍니다.

트랙의 모양이 와인의 코르크따개(Corkscrew)처럼 생겼다고 해서 이런 이름이 붙었습니다.

신기하게도 분명 원궤도로 도는데도 나선모양으로 바꾸니까 훨씬 안전해졌습니다.

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3. 코르크스크류는 왜 안전할까?

(원형)수직루프와 코르크스크류를 물리학적으로 분석해봅시다.

그림은 A) 수직루프와 B) 코르크스크류를 위에서 바라본 그림입니다.

두가지경우 모두 열차가 가상의 원통을 한바퀴 감으면서 지나가게됩니다.

그리고 두 원통의 모양은 같지만, 코르크스크류는 원통에 45도방향으로 진입한다고 가정합시다.

(물리과목에서 원운동을 배운 사람들은 이쯤에서 두 경우의 구심가속도를 계산해봅시다)

첫번째로 생각할 점은, 마찰과 공기저항이 없다면 최고점을 통과하기 위해 필요한 진입속력은 A)와 B)가 서로 같습니다

왜냐하면 최고점까지 올라갈 때 필요한 위치에너지의 크기가 똑같거든요.

두번째로, 1바퀴를 도는 트랙의 길이는 B)가 √2배 더 깁니다. 원통을 45도로 비스듬하게 감싸기 때문입니다.

그래서 같은 속도로 진입했다면 1바퀴 도는데 걸리는 시간도 B가 √2배 더 큽니다

세번째로, 원운동을 하는 물체의 가속도는 주기의 제곱에 반비례합니다. 그러므로 가속도의 크기는 B가 A의 1/2(=1/√22), 즉 절반이 됩니다.

결과를 이렇게 표로 요약할 수 있겠네요.

정리하자면 코르크스크류 트랙은 승객이 받는 가속도의 크기가 더 작기 때문에 더 안전합니다.

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4. 소소한 장점들.

코르크스크류에는 소소한 장점이 몇가지 더 있습니다.

첫째로, 열차를 연속으로 2바퀴 이상 뒤집을 수 있습니다.

수직루프는 클로소이드의 특성상 물방울모양이 되는지라, 오르막에서 시작해 내리막으로 끝나야합니다.

그래서 여러개의 수직루프를 코일마냥 옆으로 바로 붙여놓을 수 없죠.

하지만 코르크스크류는 이게 가능합니다. 심지어 최초로 만든 코르크스크류도 2바퀴짜리 회전입니다.

두번째로, 코르크스크류끼리 서로 꼬아놓을 수 있습니다.

(그림은 텍사스의 Superman Krypton)

두개의 코르크스크류를 이중나선으로 꼬아놓으면 신박한 디자인이 나오게 됩니다.

(대신 수직루프는 고리 속으로 다른 트랙이 통과하는 식으로 특색있는 디자인이 가능합니다.)

물론 트랙디자인마다 장단점이 있으니 절대적인 우열이 있는 건 아닌데다가,

한 코스터에 여러 모양의 트랙을 쓸 수도 있고, 더 나아가 저런 트랙들을 반반씩 붙이는 식으로 응용하기도 합니다.

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5. 별 상관 없는 이야깃거리

재미있게도, 맨 처음 오른쪽 사진에 나와있는 코스터의 이름이 '코르크스크류'입니다.

그러니까 코르크스크류라는 트랙은 코르크스크류라는 롤러코스터에 처음으로 도입된거죠.

또한, 롤러코스터 코르크스크류는 수직루프와 코르크스크류가 둘다 들어있습니다.

'최초로 열차를 뒤집는 (현대적) 롤러코스터'라는 명함은 일주일 차이로 빼앗겼지만,

최초로 열차를 3번 뒤집는 롤러코스터'라는 명함을 가지게 되었습니다.

(코르크스크류트랙이 2회전짜리라 총 3번 뒤집습니다.)

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6. 세줄요약

-롤러코스터에서 열차를 나선모양으로 뒤집는 트랙을 코르크스크류라고 부른다. 

-코르크스크류는 수직루프와 거의 동시에 (일주일차이) 도입되었다.

-코르크스크류는 원형루프보다 가속도가 더 작아 안전함.

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7. 출처

https://coasterpedia.net/wiki/Interlocking_corkscrews

https://en.wikipedia.org/wiki/Corkscrew_(Alton_Towers)

https://en.wikipedia.org/wiki/The_New_Revolution_(roller_coaster)

https://en.wikipedia.org/wiki/Flip_Flap_Railway

[속세탐험]

재밌다...

[도그앤허니]

헐 너무 재밌다..... 상식이 늘어난 느낌야 ㅎ

[Can :)]

신기하다

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