August 22,2018

동계올림픽에서 보는 ‘미끄러짐’의 원리

얼음은 왜 미끄러울까

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지난 주 금요일 개막한 ‘2018 평창 동계올림픽’의 열기가 뜨겁게 달아오르고 있다.  피겨 스케이팅, 봅슬레이, 쇼트트랙, 스키, 아이스하키 등 15개 종목 306개 메달을 놓고 93개국 2925명의 선수들이 치열한 경쟁을 벌이고 있는 중이다.

많은 선수들이 다양한 능력을 뽐내며 관중들을 열광케 하고 있지만 게임 내용을 꼼꼼히 들여다보면 한 가지 과학 원리를 발견할 수 있다. 얼음이나 눈 위에서 잘 미끄러지는 능력을 지닌 선수들이 뛰어난 선수들이라는 점이다.

스피드스케이트 선수들이 빠른 속도로 아이스링크를 돌 수 있는 것은 얼음의 낮은 마찰저항 때문이다. 둥글고 납작한 돌(stone)을 미끄러뜨려 표적에 집어넣어야 하는 게임 컬링 역시  미끄러짐의 원리를 이용한 게임이다.

얼음이나 눈 위에서 잘 미끄러지는 능력을 지닌 선수들이 동계올림픽에서 맹활약을 하고 있으나, 얼음이 왜 미끄러운지에 대해 과학적인 설명이 명확히 이루어지지 않고 있다.  ⓒisu.org

얼음이나 눈 위에서 잘 미끄러지는 능력을 지닌 선수들이 동계올림픽에서 맹활약을 하고 있으나, 얼음이 왜 미끄러운지에 대해 과학적인 설명이 명확히 이루어지지 않고 있다. ⓒisu.org

얼음이 왜 미끄러운지… 설명하기 어려워

그러나 이 미끄러짐의 원리를 과학적으로 설명하기가 쉽지 않은 일이다. 13일 ‘폭스 뉴스’에 따르면 지난 2세기 동안 과학자들은 얼음이 왜 미끄러운지, 스케이트가 빙판 위에서 그처럼 빨리 미끄러질 수 있는지 설명하는데 애를 먹어왔다.

얼음 위에서 스케이트 날이 어떻게 접촉하고 있는지 파악하기가 쉽지 않았기 때문.

스케이트 날이 스쳐 지나가는 얼음 층이 너무 얇아 현미경으로 봐야할 정도다. 과학자들은 영상 촬영을 포기하고 물리·화학 원리를 적용해야 했다.

그리고 얼음에서 비롯된 다양한 미끄러짐의 원리를 설명할 수 있었다. 물이 얼어 얼음이 될 때 부피가 팽창하는 것은 물 분자들이 모두 수소결합에 참여해 육각형 고리의 벌집 모양을 이루어 빈 공간을 많이 만들어내기 때문이다.

물이 수소결합에 의해 육각형 구조를 이루게 되는 이유는 물만의 특성이다. 눈 결정이 육각구조를 이루는 이유 역시 같은 원리로 설명할 수 있다. 유동적인 액체 상태가 비유동적인 안정 상태로 변화했음을 말해주는 것이 육각형 다이아몬드 구조다.

흥미로운 점은 올림픽에서 불순물이 없는 매우 깨끗한 얼음 결정을 사용하고 있다는 점이다.  다양한 경기장에서 새로운 경기가 시작될 때마다 불순물이 섞이지 않은 깨끗한 물을 뿌려 새로운 얼음을 얼리며 매끈한 표면을 만들어낸다.

종목에 따라 선수들이 좋아하는 빙질(氷質)도 매우 다르다. 피겨 스케이팅 선수들의 경우 영하 4℃의 빙질을 선호하고 있는 것으로 알려지고 있다.

반면 스피드 스케이팅 선수들은 거리에 따라 영하 2℃에서 영하 8℃까지의 다양한 빙질을 원하고 있다.

아이스하키 선수들은 이보다 더 낮은 온도에서 딱딱하게 굳어있는 하드 아이스의 빙질을 원한다. 보다 빠른 속도로 달리면서 빠른 패스웍을 통해 상대팀을 교란하기 위해서다. 그러나 안전을 위해 철저한 보호 장구를 갖춰야 한다.

과학계, 잘 미끄러지는 장비 개발 중

동계올림픽에 참가하는 코치나 선수들은 얼음의 원리를 어느 정도 이해하고 있다고 보여진다.

첫 번째 원리는 압력 정도에 따라 얼음이 녹는 정도가 달라지고, 녹는 정도에 따라 움직이는 속도가 달라진다는 것이다.

이 원리를 규명한 사람은 1850년 얼음이 왜 미끄러운지 그 원리를 설명한 제임스 톰슨(James Thompson)이란 과학자다. 그는 물보다 엉성한 얼음에 압력을 가했을 때 보다 불안정하게 되고, 녹아버린다는 사실을 수학으로 증명했다.

스케이팅은 얼음의 녹는 원리를 적용한 기술이다. 그러나 이 원리가 적용되는 방식은 매우 불규칙한 것처럼 보인다.

최근 한 연구보고서에 따르면 영하 15.5℃에서 얼음이 녹기 위해서는 3만9680 psi(압력의 단위)가 요구된다. 이는 깊은 바다 기압에 거의 2배에 달하는 것이다.

그러나 스케이트장에서는 매우 낮은 압력에도 불구하고 얼음이 녹고 있다. 스케이트 날이 수천분의 1초 동안 얼음 위에 머물러 있으면서 강한 압력에 의해 얼음을 녹였다고 주장할 수 없는 일이다.

UN 버클리의 이론화학자인 데이비드 림머(David Limmer) 교수는 “압력의 정도에 따라 해빙온도가 달라지는 것이 아니라”고 말했다. “압력이 얼음을 녹이는 것은 맞지만 녹는 정도에 일률적인 법칙을 적용하기 힘들다.”고 말했다.

물의 수수께끼를 규명하는데 기여한 과학자 중 영국의 화학자 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)를 빼놓을 수 없다. 그는 얼음 위에 매우 얇은 층의 물이 존재하고 있다는 사실을 밝혀냈다.

아주 간단한 실험을 통해 패러데이가 한 연구를 재현할 수 있다. 두 개의 각진 얼음을 가져다 하나 위에 또 하나를 올려놓고 몇 시간을 기다리면 두 개의 얼음이 붙어버린다. 이는 얼음 표면 위의 액체가 얼어 두 개의 얼음을 하나로 밀착시켰다는 것을 말해준다.

패러데이는 이 얇은 층의 물이 얼음 표면을 미끄럽게 만든다고 설명하고 있다. 그러나 그 안에서 어떤 원자, 분자 과학이 작용하고 있는지 설명하지 않았다. 이 얇은 층의 물을 촬영한 것은 다른 과학자들이다.

1987년 과학자들은 이 엑스레이 영상 촬영법을 활용해 이 물의 존재를 확인했다. -1°C에서 1~94 나노미터의 두께로 얼음 위를 덮고 있었다. 박테리아 평균 크기와 비교해 약 1000분의 1 두께에 불과했다.

최근 들어 과학자들은 전자현미경을 활용해 얼음 위를 둘러싸고 있는 이 얇은 물이 어떤 일을 하고 있는지 물리·화학적 현상을 분석하고 있다. 얼음으로 변하지 않고 있는 물 분자들에게는 수소결합의 영향력이 미치지 않고 있다는 것.

그러나 얼음 표면에 깔려 있는 물 분자들이 어떤 식으로 미끄러짐 현상을 일으키는지에 대해서는 다양한 변수가 작용하고 있다. 얼음과 접속하는 다양한 물질 속성에 따라서도 미끄러짐의 정도가 달라질 수 있다. 이에 따라 더 잘 미끄러지는 장비를 개발하기 위해 새로운 과학이 동원되고 있다.

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