역학 레포트 - 쇼트트랙 경기에서 나타나는 역학적 원리를 설명하시오.

I. 서론

쇼트트랙 중계를 보면 선수들은 직선에서도 몸을 낮추고, 곡선에서는 쓰러질 듯 안쪽으로 기울인다. 앞선 선수의 바로 뒤를 바짝 따라가다가 어느 순간 바깥쪽으로 튀어나와 추월하기도 한다. 얼음은 미끄러운데 어떻게 저렇게 큰 힘으로 방향을 바꿀 수 있는지 처음에는 조금 이상했다. 역학에서 힘과 운동량, 마찰, 원운동을 배운 뒤 경기 장면을 다시 보니 자세 하나에도 이유가 붙었다. 쇼트트랙은 얼음 위에서 마찰을 무조건 낮추는 종목이 아니다. 진행 방향의 저항은 작게 만들면서도 옆 방향으로는 충분한 힘을 얻어야 하고, 곡선에서는 속도를 잃지 않으면서 중심을 안쪽으로 기울여야 한다. 선수의 동작을 역학적으로 읽으면 빠른 기록이 근력만으로 만들어지지 않는다는 점이 분명해진다.

II. 본론

1) 옆으로 민 힘이 앞으로 가는 스케이팅 추진

달리기는 발로 지면을 뒤쪽으로 밀면서 앞으로 나아간다. 스케이트는 조금 다르다. 날이 진행 방향과 거의 나란히 놓인 채 얼음 위를 미끄러지기 때문에 발을 곧장 뒤로 차기보다 옆으로 밀어내는 동작이 크다. 선수는 한쪽 다리를 펴면서 날의 모서리로 얼음을 밀고, 얼음은 같은 크기의 반대 방향 힘을 선수에게 준다. 뉴턴의 작용과 반작용 법칙으로 설명할 수 있는 장면이다. 얼음을 미는 힘의 방향을 적절히 잡으면 반작용 힘 가운데 진행 방향 성분이 몸을 앞으로 가속한다.

스케이트 날과 얼음 사이의 마찰이 아주 작기만 하면 추진이 불가능하다. 날이 옆으로 미끄러져 버리기 때문이다. 실제로 날의 얇은 모서리는 얼음과 상호작용하며 횡방향 힘을 만들 수 있다. 스케이트가 앞뒤 방향으로 부드럽게 활주하는 성질과 옆 방향으로 힘을 버티는 성질을 동시에 이용하는 셈이다. 선수는 날을 세운 각도와 다리를 미는 방향을 조절해 추진력과 안정성을 만든다. 힘이 크더라도 방향이 나쁘면 전진에 사용되는 성분이 작아져 에너지가 새기 쉽다.

전진 속도의 변화는 충격량과 운동량으로도 볼 수 있다. 힘을 F, 힘이 작용한 시간을 Δt라고 하면 충격량 FΔt는 운동량 변화와 연결된다. 한 번의 스트로크에서 매우 큰 힘을 짧게 주는 것만이 답은 아니다. 힘을 어느 방향으로 얼마나 오래 전달하는지가 같이 중요하다. 엘리트 쇼트트랙 선수의 추진력을 측정한 반 데르 크룩 외 연구에서는 경기 속도에서 여러 스트로크 국면의 수직 및 횡방향 힘과 스케이트 날 위 압력중심이 서로 다르게 나타났다. 같은 속도로 달리는 선수 사이에서도 힘을 쓰는 방식에 차이가 있었다. 기록이 좋은 남자 선수에게서는 일부 국면에서 압력중심을 날 뒤쪽에 더 두는 경향도 관찰됐다.

쇼트트랙의 추진은 한 다리만 따로 작동하는 일이 아니다. 엉덩관절, 무릎관절, 발목관절이 연결되어 움직인다. 쿠야그바타르 외의 연구는 전문 선수의 전신 움직임을 측정해 엉덩관절과 무릎, 무릎과 발목 사이의 협응을 분석했다. 다리를 옆으로 밀 때 고관절이 펴지고 무릎의 각도가 변하며 발목이 힘의 전달 방향을 맞춘다. 어느 관절 하나만 강해도 전체 동작의 시점이 어긋나면 추진이 매끄럽지 않다. 쇼트트랙에서 하체 근력과 함께 자세 훈련을 반복하는 까닭이다.