물줄기 맨 앞이 고개를 든다고?! 아쿠아토피아와 머메이드 라군의 물리학 (디즈니 물리학)
과학 트레이너 구와코 켄입니다. 매일매일이 실험!
도쿄 디즈니씨에 수학 시간에 배우는 ‘포물선’이 곳곳에 숨어 있다는 사실, 알고 계셨나요? 물이 공중에 그리는 매끄러운 곡선은 사실 물리 법칙 그 자체랍니다. 예전에 디즈니씨에 갔을 때 아름다운 포물선을 몇 군데에서 관찰할 수 있었기에, ‘디즈니랜드 물리학’이라는 이름으로 소개해 보려고 해요.
포물선이 뭐야?
공을 비스듬히 던지면 산 모양의 곡선을 그리며 날아가죠. 이 곡선이 바로 포물선이에요. 지구의 중력이 물체를 계속 아래로 끌어당기기 때문에 생기는 모양이랍니다.
포물선은 수학에서는 ‘이차함수’의 그래프로 배워요. 다시 말해 던진 공이나 물의 움직임이 수식의 모양 그대로 눈앞에 나타나는 셈이죠. 물리에서는 다음 두 가지 던지기가 기본이에요.
・수평 투사: 옆으로 곧장 던지는 방법
・비스듬히 위로 던지는 방법(사출): 비스듬히 위쪽으로 던져 올리는 방법
둘 다 공기 저항이 작다면, 날아가는 길이 포물선이 됩니다.
첫 번째: 아쿠아토피아의 물
첫 번째는 어트랙션 ‘아쿠아토피아’예요. 이번에는 타지 않고 밖에서 촬영해 봤어요. 어트랙션 안을 달리는 보트에 부딪히지 않도록, 물이 예쁜 포물선을 그리며 날아가는 모습을 볼 수 있답니다.
물이 어디에 떨어질지는 튀어나오는 속도와 각도로 정해져요. 딱 알맞은 속도와 각도로 맞춰 주면 보트를 피해서 물을 쏙 통과시킬 수 있죠. 물리 계산이 어트랙션의 장치에 이렇게 멋지게 쓰이고 있었네요!
두 번째: 머메이드 라군의 물놀이 광장
두 번째는 머메이드 라군 안에 있는, 아이들이 놀 수 있는 광장 같은 곳이에요. 여기저기서 물이 뿜어져 나와서, 비스듬히 던진 것과 비슷한 물줄기도, 옆으로 쏜 것과 비슷한 물줄기도 관찰할 수 있어요.
물이 나오는 방향이나 세기가 다르면 그려지는 포물선의 모양도 달라져요. 아이들이 물을 쫓아 뛰어다니는 바로 그 발밑에서, 물리 실험이 펼쳐지고 있는 셈이죠.
물줄기의 선두가 ‘고개를 쳐드는’ 신기한 현상
두 곳 모두에서, 물줄기의 끝 쪽으로 가면 물이 잘게 쪼개져 작은 물방울이 되는 모습이 보였어요. 물은 표면장력 덕분에 한데 뭉치려는 성질이 있어요. 그래서 흐름이 앞으로 나아갈수록 여러 개의 물방울로 나뉘게 되죠.
더 자세히 들여다보니, 물줄기의 맨 앞부분이 살짝 고개를 쳐드는 듯한 모양이 되어 있었어요. 이에 대해서는 이렇게 상상해 봤답니다.
맨 앞의 물은 공기 저항을 가장 먼저 받기 때문에 속도가 조금 떨어져요. 반면 뒤쪽의 물은 앞쪽 물의 그늘에 숨어 공기 저항을 별로 받지 않으니, 선두를 따라잡으면서 거의 이상적인 포물선을 그리며 날아가는 게 아닐까 하는 생각이에요.
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