학문

피겨 스케이팅 선수의 회전 동작과 각운동량 보존 법칙

빙상 위에서 제자리 회전을 하는 피겨 스케이팅 선수가 펼쳤던 팔을 몸 안쪽으로 바싹 모으면, 외부 돌림힘이 없는 상태에서 회전 속도가 훨씬 빨라지는 원리를 각운동량 보존으로 설명해 주세요.

1개의 답변이 있어요!

  • 안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

    각운동량은 L = Iω로 나타내요. I는 관성 모멘트, ω는 회전 각속도예요. 관성 모멘트는 몸 각 부분의 질량에 회전축까지 거리의 제곱을 곱해 모두 더한 값이라서 질량이 축에서 멀리 있을수록 커져요.

    외부 돌림힘이 없으면 L은 변하지 않아요. 얼음과 스케이트날 사이의 마찰은 아주 작고, 중력은 회전축을 따라 아래로 작용해서 회전을 바꾸지 못해요. 그래서 선수가 팔을 몸쪽으로 당겨 I를 줄이면 그만큼 ω가 커져야 L이 일정하게 유지돼요. 팔을 펼쳤을 때보다 I가 3분의 1 정도로 줄면 회전 속도는 약 세 배가 돼요. 초당 두세 바퀴이던 스핀이 대여섯 바퀴까지 빨라지기도 해요.

    회전 에너지(½Iω²)는 오히려 늘어나요. ω가 커지는 효과가 I가 줄어드는 효과보다 커서예요. 늘어난 에너지는 바깥으로 쏠리려는 팔을 선수가 근육으로 끌어당기면서 해준 일에서 나와요.

    점프에서도 같은 원리를 써요. 공중에서는 팔다리를 바싹 모아 빠르게 3~4바퀴를 돌고, 착지 직전에 팔을 다시 벌려 회전을 늦춰요 :)

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