[별별 과학] 컬링과 운동량보존법칙

한국 선수의 컬링 경기 모습

평창올림픽의 모든 종목이 흥미진진하지만 그중에 재미있는 경기가 컬링이다. 중세 스코틀랜드의 얼어붙은 호수에서 무거운 돌덩이를 맞히던 놀이에서 시작됐다. 컬링은 두 명 혹은 네 명이 한 팀을 구성해 ‘스톤’이라 부르는 무겁고 넓적한 돌을 번갈아 밀어 던지며, 하우스라는 원 안의 표적에 얼마나 가깝게 위치시키느냐로 승패를 결정짓는다. 상대팀의 스톤을 다른 스톤으로 쳐내거나 이동시키는데 여기에는 운동량보존법칙이 숨어 있다.

아이작 뉴턴의 작용반작용법칙에 따르면 어떤 물체를 밀 때(작용) 그 물체도 내가 미는 만큼 동일한 힘으로 나를 반대 방향으로 민다(반작용). 세상에 공짜는 없는 법인데, 주는 만큼 돌려받는다는 동일한 원리가 물리학에도 적용된 결과다. 컬링 경기에서 한 스톤이 다른 스톤을 밀어낼 때 다른 스톤 또한 미는 스톤을 반대 방향으로 밀어낸다. 이를 정량적으로 표현한 개념이 운동량이다. 물체의 운동량은 그 질량과 움직이는 속도의 곱으로 표현된다. 스톤이 밀고 밀치는 과정에서 각 스톤들은 속도가 변하는데 이를 운동량이 변한다고 한다. 밀리는 스톤의 운동량이 변한 만큼(작용) 미는 스톤의 운동량도 그 반대 방향으로 동일하게 변한다(반작용). 운동량 총합은 항상 플러스와 마이너스가 상쇄돼 변하지 않는다. 이것이 운동량보존법칙이다.

의도한 대로 상대방 스톤을 밀어내려면 정확한 충돌각을 계산해야 한다. 두 스톤이 두껍게 겹칠수록 전달되는 운동량이 증가해 강하게 밀어낸다. 얇게 겹칠수록 운동량의 변화는 적다. 운동량보존법칙을 고려해 의도한 상황에 대한 충돌각을 이론적으로 정확히 계산할 수 있다. 컬링 선수들은 꾸준한 연습을 통해 어떤 두께로 타격해야 원하는 결과를 얻을 수 있는지 경험적으로 터득한다. 피나는 노력과 연습이 필요한 이유이다.

이남영 칼럼니스트

사진=윤성호 기자

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