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평창 동계올림픽은 1988년 서울 올림픽 이후로 30년 만에 한국에서 열리는 올림픽이야. 그때는 나의 친척 호돌이 삼촌과 호순이 이모가 올림픽을 축하해줬지. 이번에는 내가 하게 되다니 감회가 새롭다.

오는 2월 9일 오후 8시는 꼭 집중해 줘. 개막식이 열리거든. 모든 공중파 채널에서 중계할 예정이니 지켜봐 줘! 이날을 시작으로 올림픽이 17일간 진행될 예정이야. 약 95개의 나라에서 올림픽에 출전하기 위해 우리나라를 방문해. 총 15개 종목에서 경기를 치를 예정인데, 금메달은 모두 102개 걸려있지. 어떤 종목이 있는지 궁금하다고? 내가 직접 보여줄게.

동계올림픽의 수학과 과학

이제 어떤 경기가 있는지는 알겠지? 그럼 몇 가지 종목만 조금 더 깊이 살펴보자고. 나와 함께라면 이번 올림픽 안전은 걱정하지 않아도 돼. 나 수호랑이 이름을 걸고 올림픽에 참가하는 선수, 참가자, 스텝과 관중까지 모두 안전하게 수호할 거니까!

 스키점프  멀리 뛰기 비법은 엉덩이 각도?

동계올림픽에는 스키 종목이 많아. 그중에서 가장 스릴이 있는 경기는 스키점프가 아닐까 해. 스키를 장착한 채로 공중에서 날아오른 모습은 볼 때마다 짜릿해.

스키점프는 35° 가량의 가파른 슬로프를 시속 90km가 넘는 속도로 빠르게 내려오다가 새처럼 비행하는 종목이지. 선수들은 대략 8초 동안 하늘을 날고, 남자 선수는 최고 253.5m까지 뛰었어. 멀리 뛰기 위한 특별한 비법이 있는 건 아닐까?

스키점프 선수가 뛴 비거리와 자세의 관계를 연구한 사례가 있어. 레이놀즈 평균 나비에 스토크스(RANS) 방정식을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석해 알아냈지. 선수가 점프할 때 수평인 지면과 스키가 이루는 각도(α), 스키와 몸의 중심선이 이루는 각도(β), 그리고 하체와 상체가 이루는 골반 각도(γ) 등을 이용해 양력과 항력의 비율인 양항비를 구했어.

공중에서 비행하는 물체에는 양력과 항력이 작용해. 양력은 비행체가 위로 받는 힘이고, 항력은 운동을 방해하는 힘, 저항력이야. 그래서 양력에 비해 항력의 크기가 작으면 양항비가 커지고, 그만큼 효율적으로 날고 있다는 뜻이 돼. 따라서 양항비는 날아가는 물체의 성능을 판단하는 척도지.

시뮬레이션 결과 선수의 양항비는 골반 각도와 정확하게 비례했어. 그러나 골반 각도가 커질수록 비행은 불안정해져. 그러나 선수들은 불안정한 비행을 감수하면서 골반 각도를 크게 해야 먼 거리를 기록할 수 있어. 세계적인 선수들을 분석한 결과 골반 각도는 140°에서 160°도 사이였어. 이번 평창 올림픽에서는 스키에 센서를 부착해 선수가 점프한 길이와 스피드를 분석해 준다고 하니, 직접 확인해 봐!

 피겨 스케이팅  5회전 점프 가능할까?

피겨라는 명칭은 빙판 위에서 도형을 그리듯 움직이는 것에서 유래했어. 그 후 스케이트 날이 빙판에 그리는 궤적을 연구했고, 춤이 결합되며 피겨 스케이팅이 탄생했어. 빙판 위에서 음악에 맞춰 스케이팅 기술과 아름다운 연기를 선보이는 스포츠지.

선수들은 높은 점수를 위해 점점 더 어려운 기술을 시도하고 있어. 남자 선수들은 공중에서 4회전을 하는 ‘쿼드러플 점프’ 동작을 시도 해. 쿼드러플 점프는 매우 어려운 기술로, 시도했을 때 점수를 높게 받을 수 있기 때문이야. 그렇다면 공중에서 5번 도는 ‘퀸터플 점프’도 가능할까?

짐 리처드 델라웨어대학교 신체운동학 및 응용생리학과 교수는 인간의 신체로는 쿼드러플 점프가 한계라고 했어. 공중에 머물며 한 번에 5번 빨리 회전하려면 스케이팅 선수가 연필만큼 가늘어야만 가능하다고 말했지.

리처드 교수는 스케이터의 몸에 수십 개의 센서를 부착하고 점프하는 동안 데이터를 수집했어. 이 데이터를 수학 모형으로 만든 뒤 컴퓨터를 이용해 스케이터의 몸을 조정해 높이나 속도를 확인했지. 그 결과 5회전 점프는 인간이 할 수 없으며 4회전 점프가 최대라는 결론을 내렸어. 물론 몸에 무리가 많이 가서 위험하지만, 지금 선수들의 역량으로 가능하다고 보는 사람도 있지. 앞으로 선수들이 퀸터플 점프를 해낼 수 있는지는 지켜 보자고!

 컬링  스톤 궤도의 비밀은?

컬링은 스톤을 정해진 표적 안에 넣어 득점하는 경기야. 상대팀의 스톤을 밀어내거나 피해야 하지. 스톤의 무게는 무려 19.96kg이야. 이 무거운 돌이 어떻게 곡선을 그리며 상대방의 스톤을 피해서 목표지까지 들어갈까?

스테판 야콥슨 스웨덴 웁살라대학교 재료과학 및 공학과 교수팀이 컬링 스톤 움직임의 비밀을 밝혔어. 비밀은 컬링 스톤 밑에 있는 미세한 굴곡이야.

멀리서 보면 매끈한 스톤이 평평한 얼음(Ⓐ) 위에 밀착된 것처럼 보이지만 실제는 고르지 않은 얼음(Ⓑ)위에 굴곡진 스톤이 놓여있거든. 컬링 스톤이 선수의 손을 떠나 미끄러져 갈 때 스톤 밑바닥 미세한 요철이 회전을 만드는 거야. 스톤 앞부분이 얼음 위를 긁고 지나가면, 스톤 뒷쪽 돌출부가 그 긁힌 자국을 따라 기울어진다는 것이지. 이렇게 스톤 스스로 회전을 만들어!

얼음 표면에는 미세한 크기의 기포도 많아. 경기장에 뜨거운 물을 뿌려 얼음 표면에 미세한 얼음알갱이인 페블을 만들었기 때문이야. 이 페블은 스톤의 진행을 방해해. 그래서 스윕, 일명 빗자루질을 하지. 스위퍼라 하는 두 명의 선수가 빗자루처럼 생긴 브룸으로 페블을 닦아 얼음 표면을 미끄럽게 만들어 스톤의 속도와 방향을 조절해.

매우 미세한 차이에도 스톤의 움직임이 달라 질 수 있다고 하니 스위퍼의 역할이 매우 중요해. 이처럼 방향과 속도를 얼마나 조절해야 하는지 매 순간 생각해야 하므로 컬링을 빙판 위의 체스라고도 불러.

내가 소개할 종목은 여기까지야. 이제 직접 경기를 보며 즐기는 것만 남았어!