롤러코스터의 원리

리프트 힐: 에너지 저장

거의 모든 놀이기구는 같은 방식으로 시작해요. 체인이나 케이블이 열차를 리프트 힐 위로 천천히 끌어 올려서, 탑승객은 얼마나 높이 가는지 보게 돼요. 모터가 넣은 것은 위치 에너지로 저장돼요. 열차의 질량 × 중력 × 높이예요. 고전 코스터가 얻는 에너지는 이것뿐이고, 나머지 탑승은 이 에너지를 써요.

발사형 코스터는 오르막을 건너뛰어요. 트랙 속 리니어 모터나 유압·공압 캐터펄트가 몇 초 만에 열차를 전속력으로 승강장에서 쏘아 보내고, 열차는 어떤 리프트로도 허용되지 않을 만큼 높은 언덕을 오를 수 있어요.

낙하: 높이가 속도가 돼요

내려가는 동안 위치 에너지는 운동 에너지(속도)로 바뀌어요. 잃는 것이 없다면 바닥에서의 속도는 v = √(2 g h)이고, 가벼운 열차든 무거운 열차든 같아요. 60 m 뒤엔 약 34 m/s(124 km/h), Park Baron의 메가 코스터가 오를 수 있는 157 m 뒤엔 약 55 m/s(200 km/h)예요. G-포스 계산기로 어떤 높이든 계산할 수 있어요.

그 뒤로 열차는 언덕마다 속도를 다시 높이로 바꿔요. 가는 동안 늘 무언가를 잃으니, 리프트만큼 높이 다시 오를 수는 없어요.

마찰과 공기: 에너지는 어디로 갈까요

강철 위를 구르는 바퀴, 베어링, 그리고 무엇보다 열차를 미는 공기가 에너지 일부를 열과 소리로 바꿔요. 공기 저항은 속도의 제곱에 비례해서, 가장 빠른 구간이 가장 많이 잃어요. 그래서 첫 언덕 뒤의 언덕은 모두 더 낮고, 긴 코스의 마지막 부분은 흔히 더 느리고 더 구불구불해요.

Park Baron도 같은 것을 모델링해요. 코스터 유형마다 고유한 마찰이 있고(덜컹거리는 우든 코스터가 가장 많이, 메가 코스터가 가장 적게 잃어요), 속도에 따라 커지는 저항도 있어요. 열차에 남은 에너지로 오를 수 없는 언덕을 넣으면 시운전이 멈추고 뒤로 굴러간 조각을 알려 줘요.

루프, 그리고 눈물방울 모양인 이유

수직 루프에서 트랙은 탑승객을 커브를 따라 밀어 줘야 해요. 꼭대기에서는 중력이 도와주니, 열차는 탑승객이 좌석에 붙어 있을 만큼의 속도만 있으면 돼요. 문제는 완벽한 원이에요. 꼭대기에서 딱 충분한 속도라면, 탑승객은 바닥에서 몸무게의 약 여섯 배를 느껴요. 코니아일랜드의 플립 플랩 레일웨이 같은 1890년대 초기 원형 루프는 목을 다치게 하는 걸로 유명했어요.

1976년 현대 코스터에 처음 쓰인 해법은 눈물방울 모양(클로소이드) 루프예요. 열차가 느린 꼭대기에선 커브가 좁고, 빠른 바닥에선 넓어요. G-포스가 한 바퀴 내내 훨씬 고르게 유지돼요.

탑승객이 느끼는 것: G-포스

탑승객은 가속을 무게로 느껴요. 가만히 앉아 있으면 1 g예요. 낙하 바닥의 골짜기에서는 몇 g로 좌석에 눌리고, 빠른 언덕 꼭대기를 넘을 땐 가벼워지며, 0 g 아래로 가면 무릎 안전바에 붙어 둥실 떠요. 코스터 팬들이 사랑하는 “에어타임”이에요. 빠른 커브에서의 좌우(측면) g가 가장 불편해서, 실제 트랙은 커브에서 기울어져 있어요.

설계자는 강한 힘을 짧게 유지해요. ASTM F2291 같은 기준은 몇 초보다 1초도 안 되는 순간에 더 많이, 양의 g보다 음의 g에 더 적게 허용해요.

브레이크와 블록: 안전하게 멈추기

코스터는 브레이크 구간으로 끝나요. 열차의 핀이 브레이크 패드나 자석 사이를 지나며 속도를 줄여서, 열차는 늘 걷는 속도로 승강장에 도착해요. 블록 브레이크는 코스를 구간으로 나누고, 앞 구간이 비어야 열차가 그 구간에 들어갈 수 있어요. 덕분에 붐비는 코스터가 열차 두세 대를 부딪힘 없이 동시에 운행할 수 있어요.

Park Baron 편집기에서 직접 보기

Park Baron에서는 코스터를 조각조각 짓고 개장 전에 시운전해요. 그래프 탭은 전체 운행의 속도, 높이, 수직·측면 g를 초 단위로 그려서, 에너지가 어디로 가고 어느 커브가 너무 세게 당기는지 볼 수 있어요. 모든 문제에 이름이 붙어요. 멈춤은 언덕을, 블록 구간 문제는 빠진 브레이크를 가리켜요.