포스테키안

2021 가을호 / 공대생이 보는 세상

2021-10-19 99

<전자전기공학과가 본 올림픽>
Dept. of Electrical Engineering

와, 펜싱 경기네? 우리나라 선수들 쪽에 계속 불이 들어오고 있구나! 그런데, 짧은 순간에 어느 나라 선수가 더 먼저 찔렀는지 어떻게 아는 걸까?
펜싱 선수들이 칼을 휘두르는 속도는 7m/s로 매우 빠르기 때문에, 펜싱 선수들이 입는 펜싱복에는 공격을 인식하는 압력 센서가 분포해 있어. 압력 센서란 물질 간 역학적 에너지를 검출하는 센서야. 상대의 상체를 칼로 베고 찌르는 사브르, 전신에 칼이 닿기만 하면 득점하는 에페처럼 종목에 따라 칼의 종류와 압력 센서에도 차이가 있지. 펜싱에 사용되는 검의 일종인 플뢰레는 폐쇄형 전기회로가 있어서 칼끝에 버튼을 0.1파운드(0.1lb)로 누르면 버튼이 켜져. 압력 센서가 처음 도입됐을 때는 펜싱복 뒤로 전선이 연결되어 작동하는 유선 압력 센서였지만, 2012년 런던 올림픽부터 무선 센서로 대체되었어.
태권도에서도 이런 공학적인 기술이 경기에서 착용하는 헤드기어, 보호구와 경기용 양말에 적용되었어! 머리와 몸통 보호구에는 충격량을 산출하는 방법으로 타격 강도를 측정하는 센서가 부착되어 있고, 머리에서는 몸통에 비해 25%의 충격량만 산출되어도 득점이 된다고 해. 타격을 인식하는 방식 중의 하나는 평행하게 놓여있는 두 개의 판을 이용하는 거야. 이 판들이 단위 전압당 물체가 저장하는 전하의 양인 정전용량을 측정해 강도를 산출하지. 이렇게 산출된 타격 강도는 내장된 무선 송수신기로 전송되는데, 여러 중간 노드를 거쳐도 넓은 범위의 통신이 가능한 지그비(ZigBee) 통신을 해. 그리고 발의 타격 여부를 판별하는 센싱 삭스는 RFID(Radio-Frequency Identification) 방식을 사용하고 있어. RFID 방식이란 주파수를 이용해 ID를 식별하는 방식으로, 전파를 이용해 장거리에서도 정보를 인식할 수 있어. 이 방식을 활용하기 위해서, 발 보호구 등에 네오디뮴 자성체 등 자성이 있는 재료를 삽입하지.
이렇게 스포츠에서 눈으로 판별하기 힘든 승패를 전자전기공학적 기술로 판별할 수 있어! 다른 경기에는 어떤 기술들이 적용되었는지 보러 가야지~

[참고 자료]
1. 김태완, 「방탄복보다 강한 펜싱복의 비밀」, 『한겨레』, 2012.07.25.,
https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/544193.html#csidxc7c4c79f5a4479eb6ceefe4c5fa22d4
2. Craig Freudenrich, Ph.D., 「How Fencing Equipment Works」, 『HowStuffWorks』, 2000.09.21.,
https://entertainment.howstuffworks.com/fencing-equipment.htm
3. 황종학, 「태권도 경기에서 사용되는 과학기술」,『See Futures』 FALL 2016, 12~13 쪽

글. 전자전기공학과 20학번 26기 알리미 유현아

 

<기계공학과가 본 올림픽>
Dept. of Mechanical Engineering

2020 도쿄 올림픽! 혹시 트라이애슬론 경기 본 사람 있어? 흔히 철인 삼종 경기라고 하는데, 나는 여기 나오는 사이클 경기를 정말 재밌게 봤어. 그런데 이 경기는 실제 도로에서 진행되다 보니 변속기가 필요하다고 해. 자전거를 탈 때 언덕을 더 쉽게 오르고, 평지에서 더 빠르게 달릴 수 있으려면 변속기가 정말 중요한데, 어떻게 작동되는지 알아볼까? 흔히 자전거의 변속은 자동차와 달리 ‘앞기어 변속’과 ‘뒷기어 변속’으로 얘기해. 앞기어는
체인링(Chainring)이라고 불리는 톱니와 뒷기어는 스프라켓(Spro-cket)이라 불리는 톱니들로 구성되어 있어. 이때 기어 단수는 앞 체인링의 개수와 스프라켓의 개수를 곱해서 계산해. <기어 단수 = 앞 체인링의 수 * 뒤 스프라켓의 수 >가 성립하게 되는 거지. 체인링은 다리의 회전과 같이 회전하고, 그 힘은 체인을 통해 스프라켓으로 전달돼. 그리고 이 스프라켓의 회전수는 뒷바퀴의 회전수와 같지.

혹시 저단 기어, 고단 기어라는 말, 들어봤어? 이 저, 고단 기어를 계산할 때 체인링과 스프라켓을 사용해. 먼저, 톱니의 개수인 T를 확인해. 만약, 체인링은 22T에 놓고, 스프라켓도 22T에 놓으면 페달링을 한 바퀴 할 때 자전거 바퀴는 한 바퀴 회전하게 되지?
이때의 힘을 ‘22T/22T = 1’이라 하자. 만약 체인링은 33T, 스프라켓이 11T라면 페달링 한 바퀴에 뒷바퀴는 3바퀴를 회전하게 되고 3배의 거리를 움직이게 되어 ‘33T/11T = 3’의 힘이 들어가게 되는 거지. 반대로 스프라켓의 T가 체인링보다 높다면 더 적은 힘이 들어가게 되겠지? 바로 이 기어비가 높을수록 고단, 낮을수록 저단 기어가 되는 거야. 저단 기어는 주로 출발하거나 언덕을 오를 때 이용하고 고단 기어는 속도가 오른 상태에서 그 속도를 유지하거나 강한 힘으로 가속할 때 사용할 수 있어.
이처럼 기어 변속을 알맞은 상황에서 잘해 주어야지 체력을 유지하면서 좋은 성과를 낼 수 있겠지? 사이클에서 중요한 기어 변속!
나도 다음에 자전거를 탈 때 한번 연습해 봐야지~

[참고 자료]
1. 박창민 기자, 「자전거 기어 변속의 이해 – 역사와 기본 지식」 , 『바이크 매거진』 , 2008.10.11.
https://www.bikem.co.kr/article/read.php?num=148
2. (위 이미지) 체인링과 스프라켓 http://bike-korea.com/bike_study/81868

글. 무은재학부 21학번 27기 알리미 김나림

 

<물리학과가 본 올림픽>
Dept. of Physics

물속에서 기록을 경쟁하는 수영은 하계 올림픽의 꽃 중 하나라고도 볼 수 있지! 그런데 선수들은 어떻게 기록을 단축할까? 여러 방법이 있지만, 특히 잠영(잠수 영법)이 중요해. 실제로 선수들이 경기할 때를 보면, 항상 잠영한 후에 다양한 영법을 이용하여 수영하는 것을 볼 수 있어. 그 이유는 잠영이 다른 수영 영법보다 빠르기 때문이야. 그렇다면 왜 잠영이 다른 수영 영법보다 빠른 것일까? 선수들은 잠영할 때 돌핀킥을 이용해. 돌핀킥은 스타트나 턴 이후 두 손과 발을 모아 돌고래처럼 위아래로 치고 나가는 영법이야. 이 돌핀킥에 관한 연구는 돌고래를 관찰하면서 시작되었다고 해.


그 첫 번째로, 과거 돌고래의 속도에 관해 연구하던 동물학자 제임스 그레이는 돌고래에 관한 흥미로운 사실을 발견했어. 돌고래는 물속에서 시속 20마일 이상의 빠른 속도로 헤엄칠 수 있는데, 이론적으로 돌고래의 근육은 이 속도를 내도록 할 수 있는 에너지를 만들지 못한다는 사실을 발견한 거야. 그래서 그레이 교수는 돌고래의 피부에는 항력을 줄이는 특별한 특성이 있어야 한다고 주장했지. 이는 후에 그레이의 역설(Gray’s paradox)로 불리게 되었어.
그레이의 역설은 72년 후에 미국 한 연구팀의 실험 결과에 의해 해결되었어. 연구팀은 항공우주 연구를 위해 개발된 힘 측정 도구와 초당 1,000개의 비디오 프레임을 캡처할 수 있는 디지털 입자 이미지 속도계의 기술을 결합하여 돌고래가 꼬리를 퍼덕일 때의 힘을 측정했어. 그러자 놀라운 결과가 나왔는데, 꼬리를 퍼덕일 때마다 평균 200파운드힘(200lbf)을 생성한다는 거야! 이 힘은 역도 선수가 약 100kg의 바벨을 들 때 드는 힘 정도로 비유할 수 있어.
우리들의 잠영 역시 돌고래와 비슷한 원리를 가지고 있어. 앞에서 설명한 추진력에 더해서, 수영할 때 생기는 저항인 파도 저항까지 줄일 수 있기 때문에 잠영은 수영 영법 중 가장 빠른 영법이라고 할 수 있지. 그럼 나는 수영 경기를 마저 보러 가야겠다. 안녕!!

[참고 자료]
1. Rensselaer Polytechnic Institute, 「‘Gray’s Paradox’ Solved: Researchers Discover Secret Of Speedy Dolphins」, 『ScienceDaily』, 2008.11.25, https://www.sciencedaily.com/releases/2008/11/081124131334.htm
2. 임원철, 「‘잠영이 더 빠른 이유는 뭘까’ 금메달에 숨겨진 ‘첨단과학’원리」, 『부산일보』, 2007.04.04, http://www.busan.com/view/busan/view.php?code=20070404000311
3. (위 이미지) 연구팀이 촬영한 돌고래 ‘프리모’와 주변 물의 흐름을 시각화한 모습 https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=tkdgs609630&logNo=220682733320

글. 무은재학부 21학번 27기 알리미 김도영

 

<생명과학과가 본 올림픽>
Dept. of Life Sciences

와~ 우리나라 여자 배구팀이 4강까지 진출했어! 4강 상대 팀은 브라질이라는데… 어? 브라질 선수 중 한 명이 도핑이 적발되어 출전하지 못했다고 하네. 이러한 도핑 테스트는 어떤 원리로 도핑 여부를 알아내는 걸까? 먼저, 도핑(Doping)이란 운동선수가 경기력을 높이기 위해 금지된 방법을 사용하는 행위를 의미해. 예전에는 약물 도핑이 대부분이었다면, 요즘은 기술이 발전하면서 다양한 형태의 도핑이 등장하고 있어. 그중 하나인 뇌 도핑은 뇌의 특정 부분에 전기 자극을 가해서 균형 감각이나 지구력 등을 일시적으로 향상하는 도핑 방법이야. 또, 신체 능력에 관여하는 유전자를 선수의 유전자에 삽입하는 ‘유전자 도핑’이나 적혈구를 많이 포함한 혈액을 수혈하여 잠시 산소 공급을 늘리는 ‘혈액 도핑’도 있어. 도핑 여부를 확인하는 가장 대표적인 방법은 바로 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography)를 활용한 기체 크로마토그래피 질량 분석법(GC/MS)이야.

기체 크로마토그래피는 기체의 흡착성을 통해 물질을 분리하는 방법으로, 분석하고자 하는 시료를 기체화하여 주입하면 운반체 기체를 따라 칼럼(Column)이라 불리는 부분으로 이동해. 이 칼럼 안에는 고정상이라는 물질이 들어 있는데, 시료가 이곳을 통과하면서 고정상과의 흡착성에 의해 다른 속도로 이동하며 분리되지. 그리고 GC/MS는 여기에 질량 분석계를 연결하여 물질의 질량 스펙트럼을 얻는 기술이야. GC/MS를 통한 도핑 테스트 과정을 간단히 설명하면, 선수들의 소변에 유기 용매를 넣어 섞은 뒤 원심분리기에 돌리면 소변과 유기 용매가 분리돼. 그럼 이 유기 용매를 휘발시켜 GC/MS를 통해 녹아 있는 금지 약물을 검출하는 거지. 이 외에 혈액의 적혈구나 헤모글로빈 수치를 검사하는 혈액 검사를 통해 혈액 도핑을 적발하기도 해. 공정한 경기를 위해서는 도핑 테스트가 중요할 것 같아. 정당하게 실력을 키워 경기에서 멋진 모습을 보여주는 우리 선수들, 정말 대단하지 않니? 그럼 난 다른 경기 보러 가야겠다, 안녕~!

[참고 자료]
1. 손정현 KIST 도핑콘트롤 센터장의 <KBS NEWS D-LIVE> 화상 인터뷰, 2021년 7월 30일.
2. 최성신, 「기체 크로마토그래피(GC)를 이용한 고무 첨가제와 추출물의 분리 분석 기법」, 『고무기술』 제21권 제2호 (2020), 68~77쪽.
3. (위 이미지) 기체 크로마토그래피-질량 분석기(GC/MS)의 구성
https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO202022663815968.pdf

글. 생명과학과 20학번 26기 알리미 신유빈