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협곡 사이로 흐르는 물리학 '래프팅'

자연이 창조한 스릴 만점 놀이기구

여름철 최고의 레포츠로 자리 잡아가는 래프팅. 골짜기 사이로 펼쳐진 자연을 온몸으로 느낄 수 있다. 자연이 만든 레포츠 래프팅에서 과학의 모습을 발견해보자.


땟목타기에서 유래한 래프팅

래프트란 원래 나무로 엮은 뗏목을 뜻하는 말이다. 아득한 옛날 원시인들이 타고 다녔던 뗏목으로까지 거슬러 올라간다. 근래에는 미지의 땅을 찾아나선 개척자들이 이용한 뗏목에서 그 원류를 찾아볼 수 있다.

오늘날 래프팅은 나무가 아닌 PVC나 고무로 만든 배를 이용한다. 제2차 세계대전 이후에 전쟁의 부산물로 남은 군용 고무보트가 놀이용으로 쓰이면서부터다. 그리고 여러 사람이 노를 저으며 골짜기와 강의 급류를 타는 레포츠로 본격화된 것은 1966-1971년 사이다. 당시 북아메리카 지역, 특히 그랜드캐니언의 관광회사들이 관광객들을 많이 실어 나르기 위해 대형 고무보트를 동원하기 시작했다.

현재 미국에서는 래프팅이 범국민적 대중 레포츠로 자리잡고 있으며, 성인 동호인만도 3백만명이 넘는다. 또 산이 많고 급류 계곡이 많은 이웃 일본에서도 1980년대부터 래프팅이 폭발적인 인기를 끌며 동호인이 늘어나서 국내 코스만으로는 부족해 해외 래프팅 명소로 나가 즐기고 있을 정도다.

우리나라에서는 1970년대 초 미군용 고무보트가 보급되면서 일반에 소개됐다. 그러나 장비와 홍보 부족으로 1980년대에는 개인적으로 즐기는 동호인들만이 약간 있었을 뿐 초보 단계에 머물러 있었다. 1990년대에 들어 전문 동호인 클럽과 대학 동아리를 중심으로 보급되고 여기에 레저 전문업체들이 레포츠 종목으로 래프팅을 개발, 각종 행사를 개최하면서 이를 즐기려는 사람들이 폭발적으로 늘어났다.

우리나라는 강이 많고 산골짜기를 따라 흐르는 급류 지대가 많아, 코스만 개발하면 래프팅을 즐길 수 있는 장소는 충분하다. 현재 개발된 장소로는 한탄강 상류 약 13km, 조양강과 동강 약 65km, 내린천 약 70km, 영월 서강 약 10km, 홍천강 약 12km 외에 진부령 계곡, 백담사 계곡 등 10여곳이 넘는다. 또한 계속 새로운 코스가 개발되고 있다.

그렇다면 계곡을 따라 자연을 만끽하며 즐기는 래프팅의 원동력은 어디로부터 온 것일까.


중력과 부력의 겨루기

래프팅의 원동력은 중력과 부력이다. 물론 사람이 노를 젓기도 하지만 진행방향과 속도를 조절할 뿐이지 근본적인 힘은 아니다.

일단 래프팅을 하려면 뗏목이든 고무보트이든 사람이 그 위에 타서 물에 떠야 한다. 지상에서는 언제나 질량과 비례하는 중력을 받는다. 물론 강물 위에서도 마찬가지다. 물체가 힘을 받으면 힘의 방향으로 운동속도가 변한다는 점은 물체 운동을 설명하는 물리학의 기본법칙 중 하나다. 예를 들어 위로 던져진 돌멩이는 중력 때문에 아래방향으로 속도가 점점 증가한다. 그러나 물체가 땅바닥에 있으면 바닥이 떠받치는 수직항력이 중력과 같아 운동상태가 변하지 않는다.

물에서는 어떻게 될까. 중력은 물체와 지구와의 상호작용이기 때문에 그 아래에 물이 있더라도 변함 없이 존재한다. 그러나 땅바닥에 있을 경우와 다른 점은 땅바닥은 딱딱해 물체를 떠받칠 수 있으나(수직항력), 물은 그렇지 않다는 점이다. 따라서 돌멩이를 물위에 얹으면 가라앉는다. 그러나 물이 있는 경우와 아무 것도 없는 경우를 비교해보면 물이 있는 경우 돌멩이가 바닥으로 가라앉은 속도가 훨씬 느리다는 것을 알 수 있다.

따라서 물에서는 중력과 반대방향으로 작용하는 힘이 존재한다는 말이다. 이것이 바로 중력과 반대방향으로 물체를 떠받치는 힘으로, 부력(‘뜨는 힘’이라는 뜻)이다. 부력은 물체의 종류와 상관없이 물에 잠긴 부분의 부피에 비례한다. 정확히 말하면 물에 잠긴 부분 만큼에 해당하는 물의 무게와 같다. 즉 많이 잠길수록 뜨는 힘이 커진다는 말이다. 이를 통해 물체에 따라 물 위에 뜰 수 있는 것과 뜨지 못하는 차이를 알 수 있다. 물체 전체가 모두 물에 잠겼을 때 부력이 최대가 된다. 이것이 중력보다 크면 이 물체는 물 위에 뜰 수 있는 것이다.

래프트의 재질은 공기가 찬 고무나 PVC이므로 물에 쉽게 뜬다. 여기에 사람이 얼마나 타느냐에 따라 래프트가 물에 잠긴 정도가 달라진다. 사람이 많으면 중력이 커진다. 따라서 부력도 커져야 물에 뜰 수 있다. 이때는 중력과 부력이 서로 평형을 이루기 위해 배가 물에 더 많이 잠기게 된다.
 

수직항력 대 부력^(왼) 땅바닥일 경우 중력과 수직항력이 평형을 이룬다. (오) 배가 물 위에 뜬 경우 중력과 부력이 평형을 이룬다. 부력은 배가 잠긴 부피만큼의 물의 무게 와 같다.수직항력 대 부력^(왼) 땅바닥일 경우 중력과 수직항력이 평형을 이룬다. (오) 배가 물 위에 뜬 경우 중력과 부력이 평형을 이룬다. 부력은 배가 잠긴 부피만큼의 물의 무게 와 같다.



래프팅, 스릴만점의 비밀

래프팅의 재미로 빼놓을 수 없는 점은 온몸으로 느끼는 스릴일 것이다. 이 스릴의 비밀은 놀이동산에서 롤러코스터나 후룸라이드를 타면서 느끼는 것과 같다. 래프팅을 하는 동안 배에 탄 사람이 외부로부터 받는 힘을 생각해보자. 단순하게 따져보면 이 힘은 자신의 몸무게, 배 바닥으로부터 받는 수직항력, 그리고 공기저항이 전부다. 이 중에서 몸무게는 언제나 일정하다. 하지만 공기저항과 수직항력은 얼마든지 변할 수 있다. 즉 몸무게, 수직항력, 공기저항이 서로 상쇄되지 않는 상황이 발생할 수 있다는 말이다. 이것이 바로 스릴을 느끼게 하는 요인이 된다. 이들 힘을 합성한 결과 알짜힘이 존재하게 되기 때문이다. 따라서 가속도 운동을 하게 된다. 이때 스릴을 느낄 수 있다.

사람은 일종의 가속도 측정계다. 가속도가 힘에 비례하므로 몸이 힘을 받으면 가속도를 느끼게 된다. 배가 가속운동을 하면 그 안에 탄 사람은 배가 받는 힘의 반대 방향으로 힘을 느낀다. 급출발하는 버스 안에서 몸이 뒤로 기울여지는 것처럼 관성력을 받는다는 말이다.

평평한 강물을 내려갈 때는 관성력을 거의 느낄 수 없다. 그러나 래프팅의 경우 강물은 끊임없이 다양하게 변하므로 배에 탄 사람들은 다양한 관성력을 체험할 수 있다. 갑자기 물살이 빨라지는 곳에서는 몸이 뒤로 쏠리는 관성력을 받는다. 또 바위에 부딪히면 몸이 앞으로 쏠리는 관성력을 받는다. 관성력의 크기는 배의 가속도에 비례한다. 즉 얼마나 짧은 시간 동안 얼마나 속도 변화가 심한가에 따라 사람이 느끼는 관성력이 커지고 그만큼 스릴을 느낀다. 예를 들어 작은 폭포를 만나는 경우 갑자기 바닥이 가라앉음으로 인해 배는 잠시 동안 자유낙하와 비슷한 포물선운동을 할 것이다. 이 동안 배의 가속도는 중력가속도와 같으므로 배에 탄 사람은 반대방향의 관성력을 받아 잠시 무중력상태를 느낄 수 있다.

롤러코스터나 후룸라이드는 이러한 가속도를 인위적으로 체험할 수 있게 만든 놀이시설이다. 따라서 사람들은 대략 어떤 가속도를 체험할지 짐작할 수 있다. 하지만 자연이 만든 놀이시설인 래프팅은 상황이 다르다. 보통 가속도의 크기와 그 변화 정도는 래프팅보다 롤러코스터가 훨씬 커서 가속도로 인한 스릴만 따지면 롤러코스터가 한발 앞선다. 그러나 자연이 만든 강물을 따라 래프팅을 하다보면 언제 어떤 지형이 나올지 처음 탄 사람들은 알 수 없고, 또 그 지형을 잘 알고 있는 사람이라도 물살이 어떻게 변할지 예측할 수 없기 때문에 누구나 새로운 속도 변화를 체험하는 것이다.


주는 것만큼 받는 노젓기

가만히 정지한 물 위에서 자유로이 움직이려면 노젓기에 익숙해야 된다. 흐르는 물에서라면 노를 안 저어도 배가 움직이지만 이때도 위험한 상황을 피하고 원하는 곳으로 나아가기 위해서는 노젓기가 필요하다. 노를 잡을 때는 한 손으로 노의 머리 부분을 감싸쥐고, 다른 손으로는 노의 목을 잡는다. 노 머리를 오른손으로 감싸쥐면 노가 왼쪽으로 향하게 되므로 좌현, 왼손으로 감싸쥐면 우현이 된다. 이때 노의 주걱은 수평이 돼야 한다.

노젓기 기술은 배를 앞 또는 뒤로 움직이도록 노를 이용해 물을 밀쳐내는 ‘파워 스트로크’, 회전을 위한 기술인 ‘회전 스트로크’, 그리고 배가 균형을 잃고 뒤집어지는 것을 막는 기술인 ‘브레이싱’이 있다. 스트로크의 기본 원리는 사람이 땅에서 걸어가는 것과 같은 원리다. 즉 작용과 반작용 법칙이 작용한다. 작용과 반작용 법칙은 ‘모든 힘은 두 물체간의 상호작용이다’라는 사실을 설명할 뿐이다. 따라서 힘을 주고받는 물체의 입장에 따라 방향만 반대일 뿐 실상은 같은 힘으로, 이를 보는 입장에 작용 또는 반작용이라고 한다.

스트로크의 경우 노를 통해 물을 뒤로 밀어내면 물은 노를 앞으로 밀어낸다. 노가 물을 밀어내는 힘이 물에 가한 작용이라면 물이 노를 밀어내는 힘은 반작용인 것이다. 작용과 반작용은 같은 힘이기 때문에 당연히 힘을 주는 것만큼 받는다. ‘되로 주고 말로 받는다’라는 속담이 있지만, 자연에서는 ‘주는 것만큼 받는다’가 철저하게 통한다. 배를 더 힘차게 밀어내고 싶으면 노로 물을 더 힘차게 뒤로 밀어내면 되는 것이다.

힘은 벡터량이다. 따라서 합성해 크기가 줄어들거나 증가할 수 있다는 사실을 이용하면 노젓기에 약간의 요령이 생긴다. 즉 배에 탄 모든 사람이 같은 방향으로 동시에 노를 저어 물을 밀어내면 모든 힘이 그대로 더해져 최대의 힘을 가할 수 있다. 따라서 최대의 반작용을 받은 배는 빠르게 앞으로 나아갈 것이다. 그래서 조정수의 구호에 맞춰 동시에 힘껏 노를 저어야 하는 것이다.


배가 뒤집어지려 할 때

여러 사람이 타는 래프팅을 안전하게 즐기려면 배의 균형을 잡는 몇가지 사항을 알아둘 필요가 있다.

만약 배가 균형을 잃고 어느 한쪽으로 뒤집어지려면 어떻게 해야할까. 이때는 브레이싱이라는 기술을 이용한다. 배에 탄 사람들이 몸 위치를 변화시킴으로써 배의 균형을 다시 잡는 기술이다. 만약 왼쪽으로 배가 뒤집어지려고 하면, 그 방향의 사람들이 노의 날을 수면에 반듯하게 눕혀지도록 하고 양손으로 노를 누르면서 체중을 노에 실어 배에 가하는 중력을 분산시키는 것이다. 짧은 순간이나마 노에 가해지는 부력이 노를 누르는 체중을 감당해 상대적으로 배의 왼편이 가벼워진다. 따라서 배의 무게중심이 오른쪽으로 이동해서 왼쪽으로 뒤집어지는 것을 막을 수 있다(그림 2).


(그림2) 배가 뒤집어지려 할 때 노젖기 기술 브레이싱(그림2) 배가 뒤집어지려 할 때 노젖기 기술 브레이싱


보통 배에서 사람들이 일어서지 말라고 한다. 일어서면 배가 뒤집어지기 쉽다는 이유에서다. 그 까닭은 무엇일까.

배를 받쳐주는 바닥은 언제든지 움직이는 물이다. 만약 사람들의 무게가 한쪽으로 쏠리면 그 방향으로 배가 기운다. 보통은 배 위에 사람들이 골고루 분포하므로 배 바닥 모든 부분에 힘이 고르게 분포해 균형을 이룬다. 이같은 균형은 왼쪽에 탄 사람의 무게에 의해 배가 뒤집어지려는(회전하려는) 힘과 오른쪽에 탄 사람의 무게에 의해 회전하려는 힘이 서로 비기기 때문이다. 그런데 회전하려는 힘, 토크는 회전축으로부터 힘이 작용하는 지점까지의 거리에 비례한다. 문손잡이가 문의 회전축에서부터 멀리 떨어질수록 적은 힘으로도 무거운 문을 회전시킬 수 있는 것과 같다(그림 3).
 

(그림3) 배에서 일어설 때 균형^일어서면 회전축으로부터 힘이 작용하는 거리가 길어져 외부의 힘에 의해 쉽게 한 쪽으로 쏠려 배가 뒤집어질 수 있다. (그림4) 힘의 평형과 안정성^평형위치에서 조금 움직여주면 (a)는 다시 평형 위 치로 돌아오고, (b)는 그대로 유지, (c)는 평형이 깨 진다. 무게중심이 낮을수록 안정성이 커짐을 보여 준다.(그림3) 배에서 일어설 때 균형^일어서면 회전축으로부터 힘이 작용하는 거리가 길어져 외부의 힘에 의해 쉽게 한 쪽으로 쏠려 배가 뒤집어질 수 있다. (그림4) 힘의 평형과 안정성^평형위치에서 조금 움직여주면 (a)는 다시 평형 위 치로 돌아오고, (b)는 그대로 유지, (c)는 평형이 깨 진다. 무게중심이 낮을수록 안정성이 커짐을 보여 준다.


이를 배에 적용시켜보자. 어느 한쪽의 사람들이 일어서면 어떻게 될까. 몸의 무게중심이 위로 이동한다. 이때는 몸이 조금만 움직여도 회전축과의 거리가 길어져 토크가 커진다. 따라서 배의 균형이 깨질 가능성이 높아지는 것이다.

한편 사람들이 일어서면 배 전체의 무게중심이 높아진다. 그러면 약간의 외력이 작용해도 배가 출렁이기 쉽다. 마치 진자와 같이 회전축을 중심으로 무게중심이 진동하는 것과 같다. 만약 무게중심이 높아져 진자운동하는 회전축보다 높아지면, 약간의 외력만 가해져도 힘의 균형을 잃게 된다(그림 4).


강을 알고 나를 알자

래프팅의 원동력은 중력이다. 하지만 다양한 물의 흐름이 만들어지는 것은 강의 지형이다. 강물은 지형을 그대로 반영할 뿐이다. 굽어진 곳에서는 물이 굽이치고 강폭이 좁아지면 물살이 빨라지고 갑자기 낙차가 생기면 물이 자유낙하하고 그 뒤 역류도 일어난다. 래프팅이 자연을 탐사하고 개척하는데서 비롯됐다는 점에서 그 핵심은 지형에 있다. 따라서 래프팅 전에 미리 강을 답사해 물의 흐름을 파악하는 것이 중요하다.


깊이에 따라 강물의 속도 다르다

강물은 동시에 상류에서 하류로 흘러 내려가는 듯 보이지만 강물 깊이나 지형에 따라 흐름속도가 다르다. 흐르는 물은 강바닥으로 내려갈수록 바닥과의 저항 때문에 속도가 느려진다. 또한 수면은 공기와의 저항 때문에 속도가 조금 느려진다. 따라서 가장 빠른 부분은 수면 바로 아래 부분이다.

강폭에 따른 속도는 어떨까. 강의 단면을 잘랐을 때 강의 중심부에서 속도가 가장 빠르고 가장자리는 마찰 때문에 속도가 느리다. 래프팅을 하면서 또는 다리 위에서 강물의 흐름을 유심히 관찰하면 중심 부분의 속도가 더 빠르다는 것을 확인할 수 있다. 또한 기울기와 같은 다른 조건이 같다면 수심이 깊은 곳의 강물이 얕은 곳에서보다 빠르다.

한편 강이 굽어지는 곳에서는 가장자리가 훨씬 더 빠르다. 운동장에서 원형 트랙을 돌거나 행진하며 원을 그릴 때 가장자리에 있는 사람이 훨씬 빨리 움직여야 하는 것과 같은 이치다. 굽어진 곳의 단면을 자르면 어떤 모양일까. 속도가 빠른 바깥쪽의 수심이 깊다. 강물의 속도가 빠를수록 바닥의 흙을 많이 쓸고 내려가기 때문이다.


모양 따라 웃고 우는 물웅덩이

폭포와 같이 강바닥이 갑자기 깊어지는 곳에서는 물이 떨어지면서 바닥에 깊은 웅덩이를 만든다. 강바닥의 낙차가 클수록 깊은 웅덩이가 생긴다. 물의 위치에너지가 강바닥에 도달하며 운동에너지로 변하면서 바닥 방향으로 빠른 속도를 갖게 되는데, 강바닥에 부딪히며 물의 속도가 감소하며 방향 또한 바뀌면서 일부는 하류로 흐르지만 일부는 움푹 파인 웅덩이(홀) 주위에 역류를 만들게 된다. 이런 속도 차이는 곧 강바닥이 받는 힘(충격)과 비례하므로 강의 낙차가 클수록 강바닥은 깊게 팬다.

래프팅을 하면서 중요한 것은 강의 낙차보다 홀 주위에 생기는 역류 현상이다. 따라서 더 중요한 점은 홀의 모양에 따라 역류의 형태가 결정된다는 것이다.

상류에서 하류를 향해 바라보았을 때 강의 모양이 U자 모양을 하는 경우를 U형 또는 ‘웃는 형’이라고 한다. 역류한 물이 상류를 향하므로 U형의 홀에서 역류한 물은 U자벽을 향해 흐르므로 결국 좌우로 흘러나가게 된다. 따라서 U형에서는 역류에 의한 영향을 적게 받고 통과할 수 있으므로 사람들에게 안전한 ‘웃음’을 주는 편이다. 반대로 ∩형의 홀은 ‘우는 형’이라고 부르는데, 웃는 형과 반대로 역류한 물이 가운데로 집중하기 때문에 자칫 배가 가운데로 집중된 역류 속에 갇혀버릴 위험이 있다. 한편 직선형도 있는데, 인공적으로 만들어진 수중보같은 경우에 해당된다. 강폭 전체에 홀이 발생하므로 역류가 어디로도 몰리지 않아 이를 피할 길이 없다. 역류가 강하게 생긴다면 우는 형보다 위험하다. 역류에 갇혀서 탈출이 거의 불가능할 수도 있으므로, 아예 보트를 밖으로 이동해 하류에서 다시 시작하는 것이 철칙이다. V형은 낙하한 물의 흐름이 V자의 좌우 끝부분으로 흐르기 때문에 가장자리 쪽으로 접근하면 그 흐름을 타고 역류를 벗어날 수 있다.


역류의 두 얼굴, 소용돌이

강에 장애물이 있으면 그 주변에서 강물의 흐름이 변한다. 장애물에 부딪친 물살은 장애물을 끼고 돌아가며 가속되고 이 물살은 장애물 바로 뒤편의 상대적으로 낮은 압력을 메워주기 위해 물 흐름과 반대방향으로 흘러 들어간다. 즉 역류가 생긴다는 말이다. 여기는 비교적 속도가 작으므로 물살이 센 곳이 아니라면 오히려 안전한 장소가 된다. 장애물의 크기가 상당하고 모양이 물 흐름에 대해 평평하다면 뒤쪽에 생기는 소용돌이는 느린 속도의 역류가 돼 장애물 뒤편은 쉼터나 구조를 위한 안전지대가 된다. 그러나 물살이 아주 센 곳에서는 사정이 다르다. 경사가 심하지 않는 평평한 곳이라 할지라도 장애물 뒤편에 생기는 소용돌이가 크고 정상류와 소용돌이의 경계가 분명해 자칫 소용돌이로 진입하다가 그 경계에서 보트가 뒤집어질 수 있기 때문이다.


래프팅과 관련 영화 : 리버 와일드

마음은 간절하지만 시간이 없다면? 그렇다면 안방에서 래프팅의 스릴과 영화의 재미를 함께 맛볼 수 있는 비디오 한편은 어떨까. 메릴 스트립과 케빈 베이컨이 주연한 1995년작 ‘리버 와일드’(River Wild)는 래프팅의 묘미와 스릴을 간접적이나마 엿볼 수 있는 작품이다.

아이들과 함께 휴가 여행을 떠나기로 한 게일(메릴 스트립)은 남편 톰(데이비드 스트래던)이 회사 일로 바쁘자, 남편을 떼어놓은 채 아이들만 데리고 할머니, 할아버지가 사는 타본 강가로 떠난다. 결혼 전 래프팅 가이드였던 게일은 여행객 웨이드(케빈 베이컨)를 만나 그들과 함께 강을 따라 래프팅하기로 한다. 남편 톰도 우여곡절 끝에 이 팀에 합류하지만 아이들은 소극적인 아빠보다 웨이드와 함께 있는 것을 즐긴다. 여행을 계속하는 동안 톰은 웨이드 일행에 불안을 느낀다. 결국 게일과 톰은 이들을 떼어놓고 가족만의 여행을 하려 하나, 강도였던 웨이드 일행은 이들을 협박한다. 게일은 악당으로부터 가족을 지키기 위해 래프팅의 현란한 노젓기를 구사하는데….

진행 : 박현정
글 : 임성민 과학문화교육연구소 ismphs2@snu.ac.kr

과학동아 2002년 08월호

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