[생활속과학] 겨울철 추억의 '팽이치기'..과학적 원리 숨어있네

뱅뱅 도는 회전 운동의 키, 회전 관성
얼음이 미끄러운 이유의 비밀..수막은 아니야

지난 7일부터 경북 안동시 길안면 한절골에서 열리고 있는 얼음축제에 많은 인파가 몰리면서 가족단위 겨울놀이장으로 안성맞춤이라는 호평을 받고 있다.(안동시청) © News1

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)으로 귀경·귀성 풍경도 줄어들고, 교류도 어려워지면서 아이들에게 명절의 추억을 만들어 주기 어려운 상황이 됐다.

평소에 안 해보았던 민속놀이를 명절에 해보는 건 어떨까? 좁은 공간에서 할 수 있는 겨울철 민속놀이에는 팽이치기가 있다.

팽이는 회전축을 중심으로 대칭적으로 만들어졌다. 대칭이 아니라면 무게중심이 회전축을 벗어난 팽이는 회전축이 흔들리는 형태로 회전운동을 하게 되다가 쓰러지기 쉽게 된다.

일단 팽이가 똑바로 서서 돌기 시작하다가 공기저항이나 바닥의 미세한 마찰에 의해 운동에너지를 잃으면 회전이 느려지고 결국 쓰러진다. 민속놀이에서 많이 쓰이는 나무 팽이를 계속해서 팽이 채찍으로 때려주는 것도 잃은 에너지를 보충해주는 개념에 가깝다.

공기저항과 마찰이 없으면 팽이는 처음 돌려준 대로 돌 수 있게 된다. 바로 회전 관성 덕이다. 뉴턴의 제1운동법 칙은 '외부에 힘이 없으면 정지한 물체는 정지하려 하고, 운동하는 물체는 속도를 유지한다'는 것이다.

회전운동도 마찬가지의 법칙대로 외부의 힘 없으면 그대로 회전을 유지한다. 회전 관성이 클수록 회전 운동이 더 오래 유지된다. 다만 직선 운동에서 관성은 물체의 질량에 비례하지만, 회전 운동은 조금 더 복잡하다. 같은 질량의 원판이라도 더 반지름이 작은 원판이 더 돌리기 쉽고 멈추기도 쉽다.

실제 팽이의 운동은 회전축의 운동을 비롯한 다양한 요소가 작용하는 복잡성이 있다. 하지만 근본적인 원리는 회전 관성에서 출발한다.

회전 관성은 다른 회전 운동에서도 적용된다. 자전거의 경우, 바퀴가 처음 회전하기 시작하면 일정한 방향으로 계속 회전하려는 성질이 생긴다.

팽이는 평지만 있으면 언제든 칠 수 있지만, 겨울 빙판에서 팽이를 치는 풍속이 있는 이유는 얼음판이 미끄러워 마찰이 작기 때문이다.

얼음이 녹을 만한 기온에서 표면의 얼음이 녹은 상황에서 미끄러운 것은 당연할 수 있다. 하지만, 한겨울 사람이 올라가도 안전할 만큼 꽁꽁 얼어있는 얼음판이 미끄러운 것은 아직 과학적으로 확정된 이론은 없다.

스케이트 날이나 뾰족한 팽이 축 때문에 압력이 가해져 얼음이 미세하게 녹아 수막이 형성된다는 이론이 있었다. 이는 사람의 몸무게나 팽이의 무게를 대입해 압력을 계산해보면 충분한 설명이 안 된다. 회전에 의한 마찰열에 의해 얼음이 녹게 된다는 이론도 있지만, 사람이 가만히 서 있다가 움직이는 것처럼 마찰이 얼마 없는 상황에서도 얼음은 미끄럽기 때문이다.

가장 최근 각광받는 얼음이 미끄러운 이유는 얼음 내부의 물 분자에 비해 표면의 물 분자의 결합이 약하기 때문이라는 것이다. 얼음 내부는 분자가 규칙적으로 배열된 결정상태이지만 얼음 표면의 물 분자의 아래쪽은 다른 물 분자와 규칙적으로 결합할 수 있지만, 위쪽에는 결합할 분자가 없어 상대적으로 자유로운 상태라는 것이다. 그래서 영하의 온도에서도 얼음 표면에 얇은 물이 존재할 수 있게 된다.

seungjun241@news1.kr