장대높이뛰기에서의 탄성력
장대높이뛰기는 1896년 제1회 근대 올림픽부터 있었던 경기 종목입니다. 장대높이뛰기는 그냥 높이뛰기의 기록과는 많은 차이를 보입니다. 높이뛰기의 세계 기록은 2.45m이지만, 장대높이뛰기의 세계 기록은 6m를 훌쩍 넘습니다. 또한 장대높이뛰기는 다른 종목에서보다 기록이 놀랍도록 향상되었는데, 1회 대회 때 3.30m에 그치던 기록이 1996년 애틀랜타 올림픽에서는 5.92m를 뛰어넘었습니다. 세계 최고 기록은 러시아의 세르게이 부브카 Sergei Bubka에 의해 수립되었는데, 무려 6.14m를 뛰어넘었답니다.
다른 종목에 비해 장대높이뛰기에서 기록 경신이 두드러진 이유는 무엇일까요? 그것은 장대높이뛰기 종목은 다른 종목과는 달리 경기에서 ‘장대’라고 부르는 장비를 사용하기 때문입니다. 장대를 사용하는 것은 탄성력을 이용하기 위해서인데, 처음에는 장대의 원료가 나무였다가, 1950년대 들어서 탄성이 좋은 대나무로 바뀌었어요. 그리고 최근에는 탄소로 코팅한 첨단 유리 섬유가 사용되는데, 그 탄성력이 아주 좋아졌답니다. 따라서 장대높이뛰기 종목은 장대의 탄성력을 잘 이용하는 기술이 중요하답니다. 탄성력을 이용하려면 탄성이 무엇인지 잘 알아야겠지요?
용수철을 손으로 잡아당기면 용수철의 길이가 늘어나고, 잡아당긴 용수철을 놓으면 다시 원래 상태로 되돌아니다. 또한 힘을 주어 용수철을 누르면 길이가 줄어들고, 놓으면 다시 원래 길이로 되돌아갑니다. 이와 같이 용수철이 힘을 받아서 그 길이가 변하게 되면 처음 상태로 되돌아가려는 성질을 갖게 되는데, 이러한 성질을 탄성이라고 한답니다. 그리고 탄성을 가지고 있는 물체가 힘을 받았을 때 원래의 상태로 되돌아가려는 힘을 탄성력이라고 하며 탄성을 갖고 있는 물체를 탄성체라고 하지요.
우리 주위에는 이러한 탄성력을 이용한 것들이 많습니다. 지금 우리가 입고 있는 팬티의 고무줄, 매트리스 안에 들어 있는 스펀지, 자동차의 타이어, 어린이들이 가지고 노는 스카이 콩콩의 용수철 등등……. 예를 들자면 끝이 없을 거예요. 그 만큼 탄성력은 우리 가까이에 있는 힘이랍니다.
방향 탄성력의 방향은 물체를 변형시키는 힘과 항상 반대입니다. 줄어든 스펀지는 눌린 방향과는 반대 방향으로 늘어나려는 탄성력이 작용하고, 고무줄을 잡아당기면 잡아당기는 힘과는 반대 방향으로 줄어들려는 힘이 작용하지요.
또한 외부에서 작용하는 힘의 크기가 커질수록 물체의 변형도 많이 일어나게 되는데, 변형이 많을수록 탄성력도 비례하여 커진답니다. 이를 ‘훅의 법칙’이라고 하는데, 1678년 로버트 훅이라는 과학자가 발견했지요.
장대높이뛰기 선수가 하늘을 향해 높이 뛰어오르는 모습을 보세요. 선수는 40m 이상의 도약 거리를 빠른 속도로 달려와 장대의 한쪽 끝으로 땅을 짚고 다른 쪽 끝에 자신의 몸무게를 실어, 휘어진 장대가 펴지는 순간 높이 올라갑니다. 이때 선수는 자신의 몸에 작용하는 중력을 탄성력으로 이기고 높이 뛰는 것이지요.
그렇다면 탄성이 좋은 장대를 사용하면 더 높이 뛸 수 있을까요? 세계육상연맹 규정에는 장대의 재질이나 두께, 길이에 대해 아무런 제한이 없다고 합니다. 하지만 선수들은 일반적으로 장대의 길이는 4.5m보다 좀더 길고, 지름은 약 3.5cm 내외의 장대를 많이 사용한다고 해요. 왜냐하면 무조건 길고 탄성이 좋은 장대를 쓴다고 해서 높이 뛸 수 있는 것은 아니기 때문입니다. 탄성이 너무 좋은 장대는 에너지 전달 과정이 효율적이지 않거든요. 그 이유를 알기 위해서 장대높이뛰기의 에너지 전달 과정을 알아보도록 할까요?
장대높이뛰기 선수는 약 40m 거리를 전력 질주합니다. 그래서 장대높이뛰기 선수의 100m 달리기 기록이 다른 종목의 선수들에 비해 월등하다고 합니다. 현재의 세계 기록 보유자인 세르게이 부브카는 100m를 10초 2에 달린다고 하지요. 이렇게 달리기 속도가 빨라야 하는 이유는 무엇일까요? 그것은 선수의 운동 에너지가 클수록 높이 도약할 수 있기 때문입니다. 선수가 가지는 운동 에너지가 장대의 탄성 에너지로 전환되고, 그것이 나중에 위치 에너지로 전환되기 때문이지요. 그리고 위치 에너지가 클수록 높이 올라갈 수 있는 것이랍니다.
그런데 이때 운동 에너지가 모두 위치 에너지로 전환되지는 않습니다. 왜냐하면 운동 에너지가 위치 에너지로 전환되는 과정에서 장대의 탄성에 의한 반발력으로 에너지가 손실되기 때문이지요. 그러므로 탄성이 너무 좋아도 문제가 되는 것이랍니다. 탄성이 너무 크면 탄성력이 좋아지는 만큼 반발력으로 인한 에너지 손실도 따라서 커지기 때문이지요.
참조 : 다이어트는 에어로빅으로!
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