자이로드롭 감속장치의 원리

놀라서 가슴이 두근거리는 것과 사랑으로 가슴이 두근거리는 것을 혼동하기 때문에 연인과 함께 놀이기구를 함께 타면서 즐긴다고 합니다.

스릴있는 많은 놀이기구중 하나가 자이로드롭입니다. 자이로드롭이 점점 빨라지다가 어느 순간 속도가 갑자기 줄면서 스릴이 배가 된다고 합니다.

자이로드롭의 감속장치

높은 곳으로 올라간 자이로드롭은 끌고 올라갔던 장치를 풀어 아래로 떨어지게 합니다. 점점 빠르게 떨어지다가 속도가 줄게 되는 영역에서 더 짜릿함을 느끼게 됩니다. 속도가 줄게 되는 원리를 알아봅니다.

놀이기구의 구조는 의자 아래 말굽 모양의 자석이 있고 놀이기구에 금속 판이 달려있습니다. 금속판은 영상에서 기둥에 있는 빨간 색으로 강조한 부분입니다.

자석이 금속판을 지나면 금속판에 자기장이 유도되면서 서로 밀치게 됩니다. 이 순간 아래로 점점 빨라지던 의자가 위로 힘을 받아 속도가 느려집니다.

동영상에서 보이는 놀이기구는 6개의 금속판이 붙어 있습니다. 대략 그려보면 아래 그림과 같습니다.

의자에 달린 자석이 이 영역()을 지날 때마다 기둥이 의자를 위로 밀어 주게 됩니다. 세 번 감속되어 안전하게 땅에 도착할 수 있습니다.

조금 더 자세히 살펴보려고 하는데 너무 깊이있게 알 필요가 없으시면 아래 전자기 유도와 로렌쯔 힘은 빼고 보시면 편하실 것 같습니다.

전자기 유도 법칙

전자기 유도 법칙은 우리 생활과 너무나 밀접해서 이전에도 설명한 적이 있습니다.

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       2019/04/20 - [과학이야기/도로에서] - 과속 단속의 원리

의자 아래 달린 자석과 금속판을 위에서 바라보면 아래 그림과 같습니다.

파란 색은 의자 아래 자석을 표시했고 분홍색은 기둥에 달린 금속판을 위에서 본 모양입니다. 왼쪽 옆에서 의자가 떨어지는 모습은 아래와 같습니다.

의자가 내려오면서 자석이 만드는 자기장이 금속판에 겹치는 부분이 많아집니다. 금속에서 자기장이 증가하면 자기장이 천천히 증가하도록 반대방향의 자기장이 생기게 테두리에 전류(맴돌이 전류)가 생기게 됩니다.

맴돌이전류

금속판에 의자의 자석 때문에 앞에서 뒷 방향(×으로 표시)의 자기장이 점점 증가합니다. 금속판에는 앞으로 자기장이 생기도록 전류가 흐르면 반시계 방향의 전류가 생깁니다. 이것을 페러데이의 전자기유도법칙이라고 합니다.

금속판의 자기장이 변할 때만 유도전류가 흐릅니다. 의자의 자석이 금속판과 겹치기 시작할 때부터 완전히 겹칠 때 까지만 유도전류가 생깁니다. 자석이 금속판에 완전히 겹치게 되면 그때부터는 미는 힘이 없습니다.

로렌쯔 힘

페러데이 법칙도 조금 더 자세히 살펴보면 원인은 로렌쯔힘입니다. 질량이 있으면 서로 끌어당기는 힘이 있으면 만유인력의 법칙이라고 부르는 것과 마찬가지로 움직이는 전하는 자기장 속에서 힘을 받습니다.

자기장이 없는 곳에서 움직이는 전하(전류)는 힘을 받지 않습니다. 자기장이 있는 부분만 힘을 받게 되는데 위의 맴돌이 전류 그림의   부분의 전류만 힘을 받게 됩니다.

전류의 방향는 왼쪽으로 흐르고 자석이 앞은 N극이고 뒤는 S극일 때 자석은 전류를 아래로 미는 힘을 작용합니다. 마찬가지로 전류도 자석을 위로 밀게 됩니다.

올라갈 때 의자가 받는 힘

내려올 때 속도를 느려지는데 올라갈 때는 어떨까요?

금속판에 자기장 변화가 심할수록, 즉 빨리 내려올수록 미는 힘이 커집니다. 올라갈 때는 천천히 올라가기 때문에 금속판이 의자를 밀치는 힘이 아주 작아서 사람들이 거의 느끼지 못합니다.

점점 빨라지는 놀이기구가 속도가 줄면 더 짜릿하기도 하지만 빠른 속도에서 갑자기 정지하면 사람이 받는 충격이 크기 때문에 안전을 위해서도 속도를 줄여서 도착해야 합니다.