'물리'에 해당되는 글 3건

  1. 2010.04.12 야구공 잡는 물리학적 비법 (1)
  2. 2009.09.04 물리학자, 야구장에 가다
  3. 2008.07.11 물리를 배운 사람은 가방끈이 짧다 (11)
얼마 전부터 장래희망이 과학자에서 메이저리그 야구선수로 바뀐 규용이는 요즘 무척 신이 난다. 프로야구 선수인 외삼촌이 글러브와 야구방망이를 사줬기 때문이다. 또래 아이들과의 달리기에서 져본 적 없는 규용이의 목표는 매년 도루를 50개씩 하는 4할 타자. 오늘은 외삼촌이 특별훈련을 시켜줬다.

“깡~!”

야구공이 높이 뜬다. 규용이는 뜬공을 잡기 위해 이리저리 달려보지만 공은 번번이 전후좌우 빈자리로 떨어진다. 슬슬 부아가 치미는 규용이.

“외삼촌! 공 좀 잘 쳐봐요. 계속 이상한 데 떨어지잖아요!”
“허헛! 야구를 보렴. 공이 수비수 있는 데로만 떨어지니? 아무리 먼 곳에 떨어져도 전력 질주해 다이빙하며 잡는 선수들 못 봤어? 야구는 잘 치고 잘 달린다고 해서 주전선수가 되지는 않아. 수비도 잘 해야지. 발 빠른 규용이는 수비만 잘하면 최고의 외야수가 될 수 있을 텐데….”

“그래도 하늘 높이 뜬 공은 어디에 떨어질지 도무지 모르겠어요.”
“많이 연습하면 감이 올 텐데 말이야.”
“아니에요! 감으로만 운동을 하는 시대는 지났어요. 요즘 뉴스나 신문에 나오는 국가대표 선수들의 훈련 방법을 보면 과학적인 분석과 그에 따른 연습방법 등으로 좋은 성과를 많이 내잖아요. 야구에서도 과학적인 운동방법이 있을 거에요.”

“응. 사실 있어. 야구의 종주국인 미국에서는 야구와 관련된 연구가 많거든. 외삼촌도 이를 종종 참고한단다.”
“알려주세요! 알려주세요!”

“먼저 뜬공을 잘 잡는 법에 대해 알아볼까? 일단 공이 배트에 맞은 직후의 움직임이 중요해. 공이 배트에 맞아 떠오르는 순간 1~1.5초 정도 앞이나 뒤로 조금씩 움직이면 낙하지점을 찾는데 도움이 된단다.”

“왜요?”

“가만히 서있는 사람은 공의 속도를 계산하기 힘들어. 공의 크기가 작고 거리가 멀어 위치 변화를 정확히 파악하기 어렵기 때문이지. 하지만 조금씩 앞이나 뒤로 움직이면 바라보는 위치가 달라지기 때문에 공의 ‘속도’를 가늠할 수 있어. 예를 들어 조금씩 뒤로 물러나는데도 공이 계속 위로 올라가는 것처럼 보이면 그 공은 더 뒤로 날아갈 확률이 높단다. 그때는 더 뒤로 뛰어가야지.”

“아! 그렇구나! 그럼 좌우로 빗나가는 공은요?”
“그것도 공이 배트에 맞은 직후 오른쪽이나 왼쪽으로 천천히 움직이면 공을 쫓아가는데 도움이 된단다. 사람이 어떻게 원근감을 느끼는지는 알고 있지?”

“그럼요. 양쪽 눈에 보이는 영상이 달라서 이를 통해 입체감을 느끼잖아요.”
“그래. 그런데 바라보는 물체의 거리가 멀면 어떻게 될까? 상대적으로 눈과 눈 사이의 간격이 좁아서 영상에 큰 차이가 없지.”

“아! 그래서 몸 전체가 좌우로 움직이면 입체감을 더 많이 느낄 수 있는 거군요!”
“암. 역시 과학자가 꿈이었던 규용이는 이해가 빠르네. 그럼 공의 움직임에 대한 한가지 힌트를 더 줄게.”

“좋아요. 좋아요.”
“공은 야구 방망이에 맞은 뒤 회전이 생기거든. 이 회전이 공의 움직임을 변하게 만든단다. 아까 외삼촌이 친 공을 받을 때 공이 좌우로 휘는 것을 봤니?”
“네. 공이 회전하면 진행방향으로 회전하는 쪽 압력이 높아져 반대로 휜다는 것은 알아요. ‘베르누이 원리’죠?”


“외삼촌은 원리 이름까지는 모르겠다만…. 어쨌든 야구공도 실밥에 걸리는 공기저항 때문에 회전에 따라 변화가 심하단다. 그래도 좌우로 휘는 공은 예측이 조금 쉬웠지?”
“네. 중간을 기준으로 왼쪽으로 날아오는 공은 왼쪽으로 휘고 반대쪽도 마찬가지였던 것 같아요.”

“그럼 앞뒤로 휘는 공은 어떨까?”
“엥? 그런 공도 있나요?”

“많아. 뜬공은 대개 야구 방망이 윗부분에 맞은 거겠지? 그렇다면 공의 위쪽은 진행 반대방향으로 회전해. 그럼 공 윗부분과 뒷부분의 압력이 낮아지지. 그래서 가까운 거리의 뜬공, 내야 뜬공이라고 할까, 이런 공은 포물선의 궤적보다 위쪽으로 솟아 오른 뒤 정점 부근에서 회전이 약해지면 중력에 이끌려 땅으로 뚝 떨어진단다.”

“헐.”

“포수 위 뜬공은 더 복잡해. 공이 올라갈 때는 뒷부분의 압력이 낮아 포수를 향해 휘지만 땅으로 떨어지기 시작하면 앞부분의 압력이 낮아져 투수 쪽으로 휘며 필기체 L자 형태의 궤적이 된단다. 그래서 포수는 이런 타구를 투수 쪽을 등지고 잡는 경우가 많아.”

“외삼촌!”

“응?”

“야구 너무 어려운 스포츠인데요?”

“그래도 여러 번 공을 받으며 익숙해지면 규용이가 무시하는 ‘감’이 생기지. 규용이의 언어로 풀자면 ‘기억된 정보를 바탕으로 뇌가 빠르게 계산해 근육으로 전달하는 초고속 통로’랄까? …그럼 연습을 계속하자. 일단 외야 뜬공 100개다. 뛰어!”


글 : 전동혁 과학칼럼니스트

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얼마 전부터 장래희망이 과학자에서 메이저리그 야구선수로 바뀐 규용이는 요즘 무척 신이 난다. 프로야구 선수인 외삼촌이 글러브와 야구방망이를 사줬기 때문이다. 또래 아이들과의 달리기에서 져본 적 없는 규용이의 목표는 매년 도루를 50개씩 하는 4할 타자. 오늘은 외삼촌이 특별훈련을 시켜줬다.

“깡~!”

야구공이 높이 뜬다. 규용이는 뜬공을 잡기 위해 이리저리 달려보지만 공은 번번이 전후좌우 빈자리로 떨어진다. 슬슬 부아가 치미는 규용이.

“외삼촌! 공 좀 잘 쳐봐요. 계속 이상한 데 떨어지잖아요!”

“허헛! 야구를 보렴. 공이 수비수 있는 데로만 떨어지니? 아무리 먼 곳에 떨어져도 전력 질주해 다이빙하며 잡는 선수들 못 봤어? 야구는 잘 치고 잘 달린다고 해서 주전선수가 되지는 않아. 수비도 잘 해야지. 발 빠른 규용이는 수비만 잘하면 최고의 외야수가 될 수 있을 텐데….”

“그래도 하늘 높이 뜬 공은 어디에 떨어질지 도무지 모르겠어요.”

“많이 연습하면 감이 올 텐데 말이야.”

“아니에요! 감으로만 운동을 하는 시대는 지났어요. 요즘 뉴스나 신문에 나오는 국가대표 선수들의 훈련 방법을 보면 과학적인 분석과 그에 따른 연습방법 등으로 좋은 성과를 많이 내잖아요. 야구에서도 과학적인 운동방법이 있을 거에요.”

“응. 사실 있어. 야구의 종주국인 미국에서는 야구와 관련된 연구가 많거든. 외삼촌도 이를 종종 참고한단다.”

“알려주세요! 알려주세요!”

“먼저 뜬공을 잘 잡는 법에 대해 알아볼까? 일단 공이 배트에 맞은 직후의 움직임이 중요해. 공이 배트에 맞아 떠오르는 순간 1~1.5초 정도 앞이나 뒤로 조금씩 움직이면 낙하지점을 찾는데 도움이 된단다.”

“왜요?”

“가만히 서있는 사람은 공의 속도를 계산하기 힘들어. 공의 크기가 작고 거리가 멀어 위치 변화를 정확히 파악하기 어렵기 때문이지. 하지만 조금씩 앞이나 뒤로 움직이면 바라보는 위치가 달라지기 때문에 공의 ‘속도’를 가늠할 수 있어. 예를 들어 조금씩 뒤로 물러나는데도 공이 계속 위로 올라가는 것처럼 보이면 그 공은 더 뒤로 날아갈 확률이 높단다. 그때는 더 뒤로 뛰어가야지.”

<야구공이 방망이의 스위트스폿에 맞으면 경쾌한 소리와 함께 멀리 날아간다. 훌륭한 외야수는 타격음을 듣고
공의 낙하지점을 파악해 한발 먼저 움직인다. 자료: 미국물리학회, 이미지 제작: 동아일보>


“아! 그렇구나! 그럼 좌우로 빗나가는 공은요?”

“그것도 공이 배트에 맞은 직후 오른쪽이나 왼쪽으로 천천히 움직이면 공을 쫓아가는데 도움이 된단다. 사람이 어떻게 원근감을 느끼는지는 알고 있지?”

“그럼요. 양쪽 눈에 보이는 영상이 달라서 이를 통해 입체감을 느끼잖아요.”

“그래. 그런데 바라보는 물체의 거리가 멀면 어떻게 될까? 상대적으로 눈과 눈 사이의 간격이 좁아서 영상에 큰 차이가 없지.”

“아! 그래서 몸 전체가 좌우로 움직이면 입체감을 더 많이 느낄 수 있는 거군요!”

“암. 역시 과학자가 꿈이었던 규용이는 이해가 빠르네. 그럼 공의 움직임에 대한 한가지 힌트를 더 줄게.”

“좋아요. 좋아요.”

“공은 야구 방망이에 맞은 뒤 회전이 생기거든. 이 회전이 공의 움직임을 변하게 만든단다. 아까 외삼촌이 친 공을 받을 때 공이 좌우로 휘는 것을 봤니?”

<뜬 공은 포물선의 궤적보다 위쪽으로 솟아 오른 뒤 정점 부근에서 회전이 약해지면 중력에
이끌려 땅으로 뚝 떨어진다. 사진 제공 : 동아일보>


“네. 공이 회전하면 진행방향으로 회전하는 쪽 압력이 높아져 반대로 휜다는 것은 알아요. ‘베르누이 원리’죠?”

“외삼촌은 원리 이름까지는 모르겠다만…. 어쨌든 야구공도 실밥에 걸리는 공기저항 때문에 회전에 따라 변화가 심하단다. 그래도 좌우로 휘는 공은 예측이 조금 쉬웠지?”

“네. 중간을 기준으로 왼쪽으로 날아오는 공은 왼쪽으로 휘고 반대쪽도 마찬가지였던 것 같아요.”

“그럼 앞뒤로 휘는 공은 어떨까?”

“엥? 그런 공도 있나요?”

“많아. 뜬공은 대개 야구 방망이 윗부분에 맞은 거겠지? 그렇다면 공의 위쪽은 진행 반대방향으로 회전해. 그럼 공 윗부분과 뒷부분의 압력이 낮아지지. 그래서 가까운 거리의 뜬공, 내야 뜬공이라고 할까, 이런 공은 포물선의 궤적보다 위쪽으로 솟아 오른 뒤 정점 부근에서 회전이 약해지면 중력에 이끌려 땅으로 뚝 떨어진단다.”

“헐.”

“포수 위 뜬공은 더 복잡해. 공이 올라갈 때는 뒷부분의 압력이 낮아 포수를 향해 휘지만 땅으로 떨어지기 시작하면 앞부분의 압력이 낮아져 투수 쪽으로 휘며 필기체 L자 형태의 궤적이 된단다. 그래서 포수는 이런 타구를 투수 쪽을 등지고 잡는 경우가 많아.”

“외삼촌!”

“응?”

“야구 너무 어려운 스포츠인데요?”

“그래도 여러 번 공을 받으며 익숙해지면 규용이가 무시하는 ‘감’이 생기지. 규용이의 언어로 풀자면 ‘기억된 정보를 바탕으로 뇌가 빠르게 계산해 근육으로 전달하는 초고속 통로’랄까? …그럼 연습을 계속하자. 일단 외야 뜬공 100개다. 뛰어!”


글 : 전동혁 과학칼럼니스트


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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가방끈은 짧아야 좋다. 이 말이 무슨 뜻인지 의아해하는 분들이 있을 것이다. 가방끈이 짧다는 건 학벌이 낮다는 관용표현이기도 하기 때문이다. 하지만 여기선 그 얘기를 말하는 게 아니다. 가방끈을 짧게 하면 무거운 책가방을 가볍게 들 수 있다. 그리고 군인들이나 등산가들은 배낭을 가볍게 하기 위해 모포와 같이 가벼운 것을 배낭 아래에 두고 무거운 것은 위쪽에 둔다. 그렇다면 가방끈을 짧게 하는 것이나 무거운 물건을 위쪽에 두는 것은 그 반대 경우와 어떤 차이가 있을까?

가방끈을 짧게 한다고 해서 가방의 무게가 가벼워지는 것은 아니다. 또한 배낭 속에 물건을 어떻게 배치하건 배낭의 무게가 변하는 것도 아니다. 가방끈과 물건의 배치는 질량에 영향을 주는 것은 아니며, 질량이 같다면 작용하는 중력의 크기도 같다. 하지만 어깨에 작용하는 힘의 크기는 가방끈의 길이와 배낭 속 물건의 위치에 따라 달라진다. 가방끈은 어깨를 심하게 조이지 않는 한 가방이 등에 밀착되게 짧게 매는 것이 좋고, 배낭은 무거운 물건이 위쪽이나 등쪽이 붙도록 배치하는 것이 좋다. 이렇게 하면 가방의 질량에는 변함이 없지만 가방을 메고 다니기 한결 쉬워진다. 흔히 끈을 짧게 하는 것을 간단히 지레의 원리로 설명할 수 있다.

사람을 비롯해 지상의 모든 물체는 쓰러지지 않고 안정된 상태를 유지하기 위해 무게 중심의 수직선이 발 사이에 위치해야 한다. 사람의 경우 무게 중심은 발바닥으로부터 약 58%인 배꼽 근처에 있는데, 이 지점의 수직선이 발 사이에 위치해야만 쓰러지지 않고 서 있을 수 있게 된다. 따라서 발을 벌리고 서게 되면 발 사이의 면적이 증가하기 때문에 붙이고 서 있는 것보다 안정되게 되며, 이러한 이유로 네발 동물이 인간보다 잘 넘어지지 않는다.

임산부나 비만인 사람과 같이 배가 많이 나온 경우 무게 중심이 앞쪽으로 쏠리게 되어 쓰러지지 않기 위해 몸을 뒤쪽으로 젖히는 자세를 하게 되어 허리에 부담을 주게 된다. 가방이나 배낭을 멜 때도 마찬가지로 무게 중심이 변하게 되고, 쓰러지지 않기 위해 몸을 앞으로 약간 숙이게 된다. 이때 가방이 무게 중심보다 높은 위치에 있을 때는 허리를 조금 숙이는 것으로 새로운 안정된 자세를 유지할 수 있다. 즉 허리를 조금 숙이는 것만으로 새로운 무게 중심의 수직선을 발 사이에 오게 할 수 있게 된다. 하지만 가방의 위치가 낮을 때는 어깨가 감당해야 하는 가방의 무게가 증가하게 된다.

가방의 위치가 위쪽일 때는 허리가 가방 무게의 일부를 바로 다리로 전달하는 역할을 하기 때문에 어깨에 부담을 줄여주는 역할을 한다. 가방이 무게 중심선의 수직선상에 있어 가방의 무게가 바로 다리로 전달되는 것이다. 하지만 가방의 위치가 허리보다 아래에 있을 경우에는 가방 무게의 대부분이 어깨에 걸리기 때문에 어깨에는 더 큰 힘이 걸리게 된다. 또한 허리를 조금 구부리기 위해서는 엉덩이를 뒤로 조금 내밀게 되는데, 이때 가방이 엉덩이 부근에 있다면 가방은 엉덩이를 밀어 넣는 방향으로 힘을 작용하게 되어 결국 근육이 감당해야 할 힘의 크기가 증가하게 된다. 극단적으로 생각해서 가방이 엉덩이 아래까지 내려올 정도로 길다면 가방의 무게는 끈을 통해서 고스란히 어깨에 전달된다.

과학향기링크가방이 엉덩이 위에 있게 되면 가방이 진동하는 문제도 발생한다. 걸어가면서 좌우로 엉덩이가 움직일 때마다 가방이 흔들리기 때문에 어깨에 지속적으로 흔들림이 전달된다. 가방을 흔들릴 때 발생하는 역학적 에너지는 결국 사람이 엉덩이를 통해 가방에 일을 해주었기 때문에 생겨난 것으로 이만큼의 에너지 낭비가 발생하게 되는 것이다.

가방을 메는 것과 마찬가지로 한쪽 발을 들고 외발로 서는 경우 무게 중심의 수직선을 한쪽 발아래에 두기 위해 상체를 발을 든 쪽과 반대쪽으로 구부리게 된다. 또한 한쪽 손에 물건을 들고 있는 경우에도 이와 마찬가지로 허리를 구부리게 된다. 따라서 물건을 한쪽에 드는 것보다는 양쪽에 나누어 쥐는 것이 팔에도 무리를 적게 줄 뿐 아니라 허리에 부담도 들어주게 된다. 이러한 이유로 팔을 한쪽 잃어버린 사람의 경우에 무게 중심을 맞추기 위해 원래 팔 무게와 비슷한 인공팔을 착용하게 된다. 그렇지 않은 경우 지속적으로 허리 근육을 긴장시켜 허리 통증으로 이어지거나 심하면 척추가 뒤틀리는 경우도 발생하기 때문이다.

가방을 바른 자세로 메는 것뿐 아니라 물건을 바른 자세로 드는 것도 매우 중요하다. 무릎을 구부리지 않고 허리를 60° 정도 구부린 채로 20kgf의 물체를 들어 올리게 되면 요추에는 300kgf 이상의 힘이 걸리게 된다. 허리에 이렇게 큰 힘이 걸리는 것도 바로 지레의 원리에 의한 것이다. 요추에서 멀리 떨어진 곳에서 힘이 작용할 경우 힘점이 받침점에서 멀수록 더 큰 힘이 작용하는 것과 마찬가지로 큰 힘이 작용하게 된다. 따라서 물건은 허리로 들어 올리는 것이 아니라 무릎을 구부려 들어 올려야 하는 것이다.

한때 가방을 길게 메는 것이 유행했던 적이 있다. 하지만 직접 체험을 해보면 가방끈을 길게 메는 것보다 짧게 메는 것이 훨씬 가볍다. 패션이나 유행도 좋지만 이왕이면 과학적 원리를 이용해 편리한 생활을 누리는 게 어떨까.

글 : 최원석 과학칼럼니스트

ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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