피겨 스케이팅 선수가 회전할 때 팔을 몸쪽으로 모으면 왜 속도가 갑자기 엄청나게 빨라지나요?

Question

빙판 위에서 마찰력이 거의 없는 상태일 때, 신체의 질량을 중심축으로 모으는 행동이 어떻게 회전 속도를 증가 시키는지 물리학의 각 운동량 보존 법칙을 통해 쉽게 설명해 줄수 있나요?

Answer 1

안녕하세요. 신광현 전문가입니다.

피겨 스케이팅 선수가 회전할 때 팔을 몸쪽으로 모으면 회전 속도가 빨라지는 이유는 각운동량 보존 법칙 때문입니다.

각운동량은 '관성 모멘트'와 '회전 속도'를 곱한 값인데, 외부에서 회전력이 추가되지 않으면 이 값은 일정하게 유지됩니다. 팔을 벌린 상태에서는 몸의 질량이 회전축에서 멀리 퍼져 있어 관성 모멘트가 크지만, 팔을 오므리면 질량이 중심으로 모여 관성 모멘트가 줄어듭니다.

관성 모멘트가 줄어들어도 각운동량은 그대로 유지되어야 하므로, 자연스럽게 회전 속도가 빨라지게 되는 것입니다. 빙판은 마찰력이 거의 없어 외부 힘이 작용하지 않기 때문에 이 현상이 특히 뚜렷하게 나타납니다.

이 원리는 피겨 스케이팅뿐 아니라 발레 회전이나 다이빙 등 회전 운동이 필요한 모든 동작에서 적용되는 기본적인 물리 법칙입니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

맞아요 각운동량 보존 법칙이에요.

각운동량은 회전하는 물체가 가진 회전의 양인데, 이건 밖에서 방해가 없으면 일정하게 유지돼요. 빙판은 마찰이 거의 없으니 선수의 각운동량은 회전 내내 그대로 보존돼죠.

이 각운동량은 질량이 회전축에서 얼마나 멀리 퍼져 있느냐와 회전 속도의 조합으로 정해져요. 팔을 벌리면 질량이 축에서 멀리 퍼져 있는 상태예요. 이때 팔을 몸쪽으로 확 모으면 질량이 축 가까이로 모이죠. 그런데 이 각 운동량은 일정하게 유지 돼야 하니까, 퍼짐이 줄어든 만큼 회전 속도가 빨라져서 균형을 맞춰요.

그래서 팔을 모으는 순간 갑자기 핑 돌게되죠. 반대로 팔을 펴면 속도가 느려지구요 :)