왜 롤러코스터의 루프는 동그란 원형이 아닐까? -

놀이공원의 스릴을 좋아하는 사람이라면 롤러코스터를 탈 때의 아드레날린을 잘 설명할 수 있을 것이다. 빠른 속도, 바람, 거꾸로 뒤집히는 느낌 등, 이 모든 것이 스릴을 더한다! 하지만 자세히 살펴보면 흥미로운 사실을 발견할 수 있다. 롤러코스터의 회전구간 (루프)이 완벽하게 둥글지 않다는 점이다. 실제로는 전혀 원형이 아니다. 이러한 디자인은 단순히 미학적인 이유가 아니라, 물리와 공학의 영리한 조합을 통해 짜릿하면서도 안전한 라이딩을 보장하기 때문이다.

그렇다면 이 비원형의 물방울 모양 루프에는 어떤 과학적 원리가 숨겨져 있을까? 이 갤러리를 클릭해 알아보자.

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스릴 넘치는 경험 -

펜실베이니아에 위치한 놀이공원인 허쉬파크에는 '수퍼두퍼루퍼'라는 놀이기구가 있다. 이 놀이기구는 72km/h의 속도로 스릴 넘치는 23m 높이의 레일을 질주한다.

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짜릿한 시작 -

허쉬파크 웹사이트에 따르면, 수퍼두퍼루퍼는 "미 동부 최초의 레일을 도는 롤러코스터"라고 한다. 하지만 이것은 사실이 아니다. 그 이유는 '수퍼두퍼루퍼'보다 75년 전에 코니 아일랜드에 미국 최초의 두 개의 원형 회전 구간을 도는 롤러코스터가 있었기 때문이다.

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고작해야 10년 -

이 두 롤러코스터는 '플립 플랩 레일웨이'와 '루프 더 레일'이라는 이름을 가지고 있었지만, 수퍼두퍼루퍼가 약 50년 동안 유지된 것과 달리 이 초기 코니 아일랜드 롤러코스터들은 10년도 채 되지 않아 사라졌다.

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기하학의 문제 -

사실 롤러코스터의 회전 구간은 완벽한 원형이 되어서는 안 되는데, 이것이 이 롤러코스터들이 오래 유지되지 못한 이유이다. 그렇다면 이 동그라미 모양 뒤에 숨겨진 이유는 무엇일까? 함께 살펴보자!

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원심 레일의 탄생지 -

동그랗게 한바퀴를 도는 루프형 롤러코스터는 1842년경 유럽에서 처음 등장했다. 당시 이들은 '원심(루프형) 레일'이라고 불렸으며, 인기가 많지 않고 성공적이지도 않았다. 

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금세 잃어버린 대중의 관심 -

이 '원심(루프형) 레일'은 유럽의 몇몇 지역에 더 생겨났으나, 모두 짧은 시간 동안만 운영되었고 금세 신선함을 잃었다.

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'플립 플랩 레일웨이' -

오늘날 많은 사람들이 동그랗게 한바퀴를 도는 루프형 롤러코스터를 좋아하지만, 1800년대 사람들은 분명 그렇지 않았다. 이는 1895년에 미국에 첫 등장한 루프형 롤러코스터인 '플립 플랩 레일웨이'에서도 이어졌다.

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동그라미 -

사람들이 '플립 플랩 레일웨이'를 꺼렸던 이유는 바로 그 모양 때문이다. 물리학에서는 완벽한 원을 선호하지만, 인간의 신체는 이를 좋아하지 않는다.

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높은 속도 -

롤러코스터가 '플립 플랩'의 원형 루프를 완주하기 위해서는 엄청난 속도로 움직이면서 동시에 방향을 바꾸어야 했다. 당연히 이것은 사람의 몸에 매우 부정적인 영향을 미쳤다.

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방향 전환 -

탑승자들은 이 원형 루프에 가까워지면 실제 추진력으로 인해 몸이 지면과 평행한 직선으로 계속 움직이려고 하는데도 롤러코스터의 레일은 승객을 강제로 위로 밀어 올린다.

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중력의 힘 -

이렇게 급격하게 방향이 바뀌면 중력 가속도, 즉 G-포스가 급격히 증가한다. 참고로, 지구의 중력은 1G에 해당하며, 로켓 발사 시에는 보통 3G를 약간 넘는다.

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건강에 해로울 정도의 중력 -

이 플립 플랩 코스터를 탄 승객들은 원형 루프를 돌면서 최대 14G의 힘을 경험했다고 한다!

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상한선 -

사람의 몸이 롤러코스터에서 견딜 수 있는 한계는 약 6G 정도이며, 그마저도 1초 정도만 버틸 수 있다. 6G의 힘이 가해지면, 탑승자의 머리에서 피가 빠져나가며 그 결과 기절하게 된다.

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너무 강한 중력 -

플립 플랩의 원형 루프에 대한 시뮬레이션 결과, 탑승자들은 1G에서 14G까지의 힘을 1초 내에 경험했을 것으로 나타났다. 롤러코스터가 레일 꼭대기에 도달할 때는 힘이 9G로 줄어들었지만, 레일 아래로 내려올 때 다시 14G까지 증가했다가 순간적으로 1G로 떨어졌다.

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목재 구조 -

플립 플랩의 탑승자들은 이 극심한 힘 변화로 인해 완전히 혼란스러웠을테고, 당시에는 주로 나무로  만들어진 구조 덕분에 상황은 더 악화되었다. 나무는 압력을 받을 때 늘어나거나 압축되기 때문이다.

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새로운 루프형 롤러코스터 -

1902년에 코니 아일랜드에 새로 지어진 루프형 롤러코스터 '루프 더 레일'은 이러한 문제를 해결하기 위해 설계되었다. 우선, 전부 강철로 만들어졌기 때문에 나무보다 훨씬 더 안정적이었다. 

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감소된 힘 -

또한, 원의 모양을 뒤집힌 눈물방울 형태로 바뀌었는데, 측면을 좁게 설계하여 레일 진입과 이탈이 더 부드러워졌다. 이로 인해 G-포스가 줄어들며 더 매끄러운 탑승 경험을 충족해주었다.

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또 다른 문제 -

하지만 강한 중력을 받는 문제가 거의 해결되었음에도 불구하고, 당시 롤러코스터는 큰 단점을 여전히 가지고 있었다. 바로 탑승 인원 수였다. 레일이 작은 탓에 차량 크기도 작았고, 한 번에 탑승할 수 있는 승객이 몇 명밖에 되지 않았다.

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어려웠던 큰 수익 -

대부분의 롤러코스터 차량은 4명을 태울 수 있었으며, 롤러코스터는 5분에 한 번씩밖에 운행되지 않았다. 결국, 큰 수익을 내기는 어려웠다.

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루프형 롤러코스터의 인기 감소 -

'플립 플랩'은 7년 동안 운영되었고, '루프 더 레일'은 9년 동안 지속되었다. 다른 지역의 많은 루프형 롤러코스터도 금세 문을 닫았으며, 동그랗게 한바퀴를 도는 루프형 롤러코스터의 시대가 끝난 것처럼 여겨졌다.

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튜브형 강철 레일 -

 1959년, 캘리포니아의 디즈니랜드에서 '매터호른'이라는 놀이기구가 등장한다. 비록 원형의 루프는 없었지만, 이 놀이기구는 세계 최초로 튜브형 강철로 제작된 롤러코스터였다.

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속이 빈 강철 -

일반 강철은 내부가 꽉 차 있고 매우 무겁지만, 튜브형 강철은 속이 비어 있어 가벼우면서도 구부리기 쉽다. 튜브형 강철은 나무와 달리 훨씬 더 무거운 하중을 지탱할 수 있다.

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세계 최초 튜브형 강철로 만든 루프형 롤러코스터 -

1976년, 식스 플래그스 매직 마운틴 테마파크에서는 세계 최초로 튜브형 강철로 만든 루프형 롤러코스터를 선보였다. 이 롤러코스터의 이름은 '그레이트 아메리칸 레볼루션'으로, 루프는 '클로소이드 루프'라고 불리는 형태로 더 좁게 설계되었다

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클로소이드 루프 -

클로소이드는 길이에 따라 곡률이 0에서부터 선형으로 증가하는 성질을 가져서, 처음에는 직선에 가깝다가 점점 돌돌 말리는 모양이 된다. 곡률이 선형으로 증가하니, 클로소이드 모양으로 루프를 만들면 탑승객이 받는 가속도가 안전하게 분산된다! 실제로 '그레이트 아메리칸 레볼루션'의 경우 탑승객이 받는 중력은 최대 4.9G까지만 도달하게된다.

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높디 높게 -

또한, 튜브형 강철이 더 내구성이 뛰어나기 때문에, 그레이트 아메리칸 레볼루션은 35m 높이로 설계되었고, 한 번에 20명의 탑승객을 태울 수 있었다.

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다시 돌아온 루프형 롤러코스터의 인기 -

그 이후로 루프형, 원형을 그리는 회전구간의 롤러코스터는 전 세계적으로 인기를 끌기 시작했다. 일부 놀이공원에서는 이중 루프나 인간의 한계를 시험하는 스릴 넘치는 루프를 도입하기도 했다.

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세계에서 가장 높은 중력의 롤러코스터는? -

현재 세계에서 가장 높은 중력을 가진 롤러코스터는 남아프리카공화국 골드 리프 시티 테마파크에 위치한 '타워 오브 테러로', 이 코스터는 최대 6.3G의 힘을 자랑한다!

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세계에서 가장 높은 루프는? -

세계에서 가장 높은 수직 루프를 자랑하는 롤러코스터는 중국에 있으며, 2016년에 52m 높이로 지어진 '플래시'이다. 이 롤러코스터는 루와 어드벤처 놀이공원에 위치해 있다.

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한국에서 가장 인기 있는 롤러코스터는? -

한국에서 가장 인기 있는 롤러코스터 중 하나는 에버랜드에 위치한 'T 익스프레스'로,  2008년에 개장한 이 롤러코스터는  한국 최초이자 세계에서 가장 가파른 목재 롤러코스터로 유명하다. 최대 낙하각이 77도에 달하며, 목재 구조임에도 불구하고 매우 부드럽고 스릴 넘치는 주행감을 자랑한다.

출처: (Vox) (TwistedSifter) (Ultimate Roller Coaster) (American Coaster Enthusiasts) (The Cooper Union) (Britannica)

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