미국 항공우주국(NASA·이하 ‘나사’)의 ‘찬드라 엑스선 우주망원경’(Chandra X-ray Observatory)에서 한국의 피겨스케이터이자 올림픽 챔피언인 김연아를 첫 사진으로 한 과학 교육 간행물 ‘애스트롤림픽스 윈터’(AstrOlympics Winter)를 공개했다.

‘애스트롤림픽스 윈터’는 겨울 올림픽 선수들의 움직임을 통해 8가지 물리 개념을 설명해주는 인터넷 간행물이다. 

피겨여왕 김연아가 대표 사진으로 등장한 첫번째 물리개념은 ‘물체가 이동하지 않는 축을 중심으로 도는 운동’인 ‘회전’(Rotation)이다.

나사는 회전의 개념을 설명하기 위해 일상에서 흔히 볼 수 있는 놀이동산의 회전목마, 턴테이블로 재생하는 바이닐 레코드 그리고 세탁기 등을 등장시켰다. 회전운동의 빠르기는 특정 시간에 몇 바퀴를 도느냐에 따라 결정되는데, 올림픽 선수들에게 이 회전의 빠르기는 경쟁에서 이기기 위해 매우 중요한 요소다.

피겨 스케이팅 선수들이 세바퀴 회전 점프인 트리플 점프에 성공하려면, 공중에 떠 있는 0.65~0.70초 사이에 약 340rpm(분당 회전수)의 속도로 회전해야 한다.

‘340rpm’이 어느 정도인지 가늠할 수 있게 하기 위해 나사는 일상의 사물을 예로 들었다.

1초에 몇 바퀴를 도느지 나타내는 단위가 헤르츠(Hertz, ㎐, 진동수)인데, 천장에 달린 대형 선풍기는 1초에 두 바뀌를 돈다. 따라서 대형 선풍기의 회전수는 2㎐. 아이스 스케이터들의 스핀동작은 5㎐에 달한다. 0.2초에 한 바퀴(1초에 다섯 바퀴)를 도는 셈이다. 지난 2015년 11살의 피겨 스케이터 올리비아 올리버는 342 RPM의 회전속도로 스핀을 돌아 ‘세계에서 가장 빠른 피겨 스핀’으로 기네스북에 이름을 올린 바 있는데, 그는 1초에 5.7바퀴(5.7㎐)를 돌았다.

나사는 행성과 항성의 공전과 자전 역시 회전운동이라고 덧붙였다. 대부분의 천체 회전은 김연아의 회전보다 당연히 느리다. 김연아 선수는 1초에 5바퀴를 돌지만, 지구는 24시간에 한 바퀴를 돈다. 태양계의 중심인 태양 역시 약 25일에 한 번 자전한다. 크기가 훨씬 크기 때문이다.

하지만 천체 가운데 피겨스케이팅 선수보다 빨리 회전하는 천체도 있다. 바로 중성자별이다. ‘초신성’이라고도 하는 중성자별을 급격히 폭발한 별의 중심핵이 내부로 붕괴하며 압축될 때 형성된다. 나사는 게성운의 중심에 있는 중성자별이 30㎐의 속도로 회전한다고 전했다. 지름이 16km에 달하는 천체가 세탁기(20㎐) 보다 빨리 도는 격이다.

중성자별이 회전수가 높은 이유는 피겨 스케이팅 선수들이 더 빨리 돌기 위해 두 팔을 몸에 붙이는 이유와 같다. 김연아 선수의 스핀 시퀀스를 생각해보자. 대부분의 스핀은 빠른 속도로 진입해 한쪽 다리를 크게 휘젓고 다른 다리의 스케이트 날이나 발끝을 축으로 ‘비틀림 운동량’을 만들어내 회전의 힘을 얻는다. 이때 처음에는 팔이나 다리를 벌린 ‘카멜 스핀’으로 천천히 돌지만, 이후 ‘싯 스핀’이나 ‘업라이트 포지션’으로 자세를 바꾸면 회전 속도가 빨라진다. 이는 ‘각운동량의 보존’이라는 과학 원리 때문이다.

각운동량 = 질량ⅹ회전속도ⅹ회전반경

‘각운동량 = 질량ⅹ회전속도ⅹ회전반경’으로 정의되는데 질량의 변함이 없는 상태에서, 팔을 움츠려 회전 반경을 작게 만들면 회전속도가 커지게 되는 원리를 이용한 것. 거대한 크기의 별이 폭발 후 쪼그라들며 지름 약 20km의 중성자별로 작아지는 과정에서 초당 회전수가 폭발적으로 증가한다.

나사가 2018 평창 겨울 올림픽에 맞춰 발간한 이번 간행물에서회전 외에도 △스피드 스케이팅의 ‘속력’ △스키점프의 ‘거리’ △피겨의 날에 전해지는 ‘압력’ 등의 개념을 우주와 연관 지어 설명하고 있다. 이 간행물은 나사 누리집에서 피디에프(PDF)으로 내려받을 수 있다.