기획특집 / 평창 동계 올림픽에 대한 이야기

2011년, 평창이 2018년 동계 올림픽 개최지로 선정되었다. 그로부터 6년이 지난 지금. 2018년 평창 동계 올림픽이 코 앞으로 다가왔다. 1988년 서울 올림픽의 감동을 다시 한 번 재현할 수 있는 그 날이 얼마 남지 않았다. 대한민국의 국민들, 나아가서 전 세계가 기대하고 기다리는 축제의 장은 과연 어떤 모습일까? 이번 기획특집에서는 2018 평창 동계 올림픽과 관련하여 <동계 올림픽 종목의 원리>, <우리나라 선수들의 최첨단 훈련>, <최신 IT 기술이 도입된 평창 올림픽>에 대해 다뤄본다.

기획 특집 Ⅰ · 동계 올림픽 속의 과학

동계 올림픽을 대표하는 종목에는 어떤 것들이 있을까요? 아무래도 가장 유명한 스케이트 종목과 썰매 종목이 먼저 떠오르네요! 이 종목들은 각각 세 가지의 세부 종목으로 나뉘는데, 스케이트 종목은 스피드스케이팅, 쇼트트랙, 피겨스케이팅, 썰매 종목은 루지, 스켈레톤, 봅슬레이로 구분되어 있습니다. 그렇다면 각 종목에서 어떠한 과학적 원리가 적용되고, 서로 어떤 차이점이 있는지, 한번 알아볼까요~?

스케이트 종목 속의 과학

스피드스케이팅은 둘레가 400m인 타원 트랙에서 진행하는 스케이트 종목으로, 상대를 견제하는 전술보다는 정확한 자세와 강한 스퍼트가 중요합니다. 따라서 스피드스케이팅의 스케이트화는 몸이 앞으로 이동할 때 스케이트화의 뒷굽에서 날이 분리될 수 있게 설계되어 있습니다. 즉, 선수의 발이 빙판에서 떨어져 스텝을 옮길 때에도 스케이트 날은 그대로 빙판에 붙어있게 되는 것이죠. 이때 ‘탁(Clap), 탁’하는 소리가 난다고 해서 ‘클랩(Clap) 스케이트’라고도 불립니다. 발을 떼어도 얼음판에 스케이트 날이 붙어 있기 때문에 끝까지 바닥을 딛고 힘을 낼 수 있을 뿐만 아니라 피로도도 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 스피드스케이팅의 스케이트화는 쇼트트랙 스케이트화보다 더 날렵하고 발목 부분이 낮아 활동성이 좋습니다. 1997년 클랩 스케이트가 도입되면서 그 해에 모든 세계 신기록이 다 바뀌었다는 말이 있을 정도로 매우 혁명적인 스케이트입니다.

다음으로, 쇼트트랙은 둘레가 111.12m인 타원 트랙에서 진행하는 스케이트 종목입니다. 전체 코스에서 곡선구간이 약 48%를 차지하고, 곡선구간 전후에 일정부분 곡선 주행하는 것까지 고려하면 무려 70~90% 정도를 곡선으로 달려야 합니다. 따라서 쇼트트랙에서는 코너링이 매우 중요하고, 그렇기 때문에 경기 중에 선수들이 거의 누워서 경기하는 모습을   볼 수 있습니다. 쇼트트랙 스케이트화를 설계할 때도 코너를 돌 때 밖으로 나가려는 원심력을 최소화하는 방안들을 중점적으로 고안합니다. 먼저, 날의 중심은 밑창의 가운데가 아닌 안쪽에 부착되어 있고, 날을 미세하게 휘어 놓아 몸이 얼음에 붙을 정도로 누워도 넘어지지 않게 해줍니다. 날의 위치는 곡선구간을 쉽게 돌기 위해 중심선에서 왼쪽으로 치우쳐 있으며, 날을 바닥 쪽으로 살짝 볼록하게 만들어 좁은 반경의 곡선을 돌고 나서도 바로 치고 나갈 수 있도록 만듭니다. 힘이 정확하게 전달되게 하기 위해 선수들의 발에 꼭 맞는 크기로 제작되고 곡선 구간 중 발목이 얼음판에 닿지 않게 하기 위해 부츠가 발목 전체를 덮습니다.

마지막으로, 피겨 스케이팅은 속도를 겨루는 다른 두 스케이트 종목과 달리 스케이트를 타고 얼음판 위를 활주하며 여러 가지 동작으로 기술의 정확성과 율동의 아름다움을 겨루는 종목입니다. 따라서 점프, 스핀, 스텝과 같은 기술들이 많이 쓰이고 스케이트화 또한 이에 최적화 되어 있습니다. 피겨 스케이팅 스케이트화 앞쪽에는 아예 날이 없고 톱니로 되어 있는데, 이 부분을 ‘토(Toe)’라고 합니다. 이는 얼음을 딛고 뛰어오르거나 방향을 바꿀 수 있게 해줍니다. 또한 스케이트화를 뒤집어 보면 날의 바닥이 평평하지 않고 양쪽 가장자리가 날카롭게 솟아 있는데, 이 날카로운 부분을 에지(Edge)하고 합니다. 이는 얼음을 파내어 균형을 맞추거나 강력한 도약을 할 수 있게 도와 줍니다. 점프와 착지 시의 안정감을 위해 날은 약 4~5mm 정도로 두꺼운 편이죠.

썰매 종목 속의 과학

봅슬레이는 산 경사면에 설치된 얼음 코스를 브레이크와 핸들이 장착된 강철제의 썰매를 타고 가능한 한 빨리 활주해서 내려오는 경기입니다. 0.01초로 승부가 갈리는 만큼 빠른 스타트가 매우 중요하기 때문에, 썰매 자체의 무게는 최소화하고 선수들은 마찰이 큰 스파이크가 달린 신발을 신어 썰매를 빠르게 밀 수 있게 합니다. 또한 썰매가 받는 항력을 줄여야 하기 때문에 항공역학적으로 디자인하고 날의 표면은 부드럽게 다듬어 마찰을 줄입니다. 선수들 또한 머리를 푹 숙여 항력을 최소화합니다. 커브를 돌 때는 빠른 속도를 유지하면서도 최단 거리로 움직이는 것이 중요합니다. 높은 벽을 타고 커브를 돌면 속도는 빠르지만 이동 거리가 길어지면서 최종 주행시간이 늘어납니다. 반대로 낮은 벽을 타고 커브를 돌면 이동거리는 짧지만 원심력이 줄어 속도는 느려집니다. 봅슬레이는 4개의 날 중에 전방의 두 개의 날을 손잡이로 좌우 조종이 가능하기 때문에, 속도와 거리를 모두 고려하여 최적의 운전을 하는 것이 승패를 가르게 됩니다. 봅슬레이의 트랙 아래에는 콘크리트 트랙과 냉각파이프를 설치합니다. 따라서 얼음 표면의 상태를 냉각 정도에 따라 조절할 수 있습니다. 결승선에 다다르기 전 100m 정도는 썰매의 속도를 줄일 수 있도록 약간 위로 경사지게 만들며, 벽의 높이는 50cm 이상 세워 봅슬레이가 튕겨나가는 걸 방지합니다.

스켈레톤도 기본적인 원리는 봅슬레이와 유사합니다. 하지만 혼자 진행하고 엎드린 자세로 머리부터 내려간다는 차이점이 있습니다. 스타트할 때 스파이크가 달린 신발을 신는 것도 똑같으나 썰매에 탑승할 때 순간적으로 타야 하기 때문에 속도가 줄지 않도록 하는 것이 핵심입니다. 또한 날은 2개이며 봅슬레이처럼 별도의 조정 장치와 브레이크가 존재하지 않습니다. 따라서 어깨와 다리의 이동을 통한 몸의 무게중심 변화로만 방향을 조정해야 하는 것이죠. 스켈레톤은 엎드려 타야 한다는 위험성이 있기 때문에 선수들은 턱 보호 기능이 있는 폴리카보네이트 소재의 헬멧을 착용합니다.

루지는 봅슬레이, 스켈레톤과 방식이 약간 다릅니다. 썰매에 뒤로 누운 채 다리부터 내려가기 때문에 스파이크를 신고 뛰어가는 스타트 과정이 존재하지 않습니다. 대신에 시작할 때 반동을 주고 양손으로 얼음 바닥을 계속 밀어주는 방법으로 초기 속도를 높입니다. 루지도  스켈레톤과 마찬가지로 별도의 조정 장치와 브레이크가 존재하지 않기 때문에 가죽 고삐를 당기거나 몸의 무게중심 변화로 방향을 조정해야 합니다. 누워서 진행하여 항력이 제일 적기 때문에 세 종목 중 최고 속도가 가장 높은 종목입니다.

출처  http://lg-sl.net/product/scilab/sciencestorylist/IQEX/readSciencestoryList.mvc?sciencestoryListId=IQEX2010020003

글_유태형 단일계열 17학번(알리미 23기)

기획 특집 Ⅱ · 2018 평창, 그리고 차세대 훈련장비

2018평창 동계올림픽의 개막이 카운트다운을 앞두고 있습니다. 이번 올림픽은 국제적인 동계스포츠의 축제를 넘어, 참여국들 간의 치열한 과학기술 격전지가 되지 않을까 생각됩니다. 그만큼 이제는 과학기술의 도움 없이는 선수들의 기량을 높이는 것이 힘들다는 말이기도 한데요, 2018 평창올림픽을 위해서 우리나라 국가대표팀은 어떤 훈련들을 하고 있을까요?

가상현실에서의 시뮬레이션, VR training

VR장비를 이용한 루지종목 훈련 모습
이미지출저 http://news.sbs.co.kr/news/endPage.do?news_id=N1004119707

21세기 스포츠과학 최첨단 훈련장비의 선두주자는 VR training이 아닐까 생각됩니다. 그동안 우리나라 루지 종목은 변변한 훈련장소가 없어 아스팔트에서 바퀴 달린 썰매를 타는 등의 이미지 트레이닝이 훈련의 대부분을 차지했는데요. 이제는 날씨, 장소의 제약 없이 VR 시뮬레이션을 통해 주행 감각을 유지할 수 있게 되었습니다. 이러한 VR 기술에 대해 자세히 알아볼까요?

VR은 Virtual Reality의 약자로, 컴퓨터 등이 만든 가상 환경에 우리가 직접 들어가 있는 것처럼 착각하게 만드는 인터페이스를 말합니다. 이런 가상현실의 인터렉티브한 특성을 위해서 흔히 HMD(Head Mounted Display)를 이용하는데요, 머리에 착용하면 시야 내에서의 현실 세계를 없애고 가상현실을 보여주는 장치입니다. HMD는 사물을 입체적으로 보기 위해 볼록 렌즈를 통한 평행법을 이용하여 사물 뒤로 초점을 이동시킵니다.

어릴 적 입체 그림을 보기 위해 넋 놓고 초점을 멀리 이동시키는 원리와 같다고 생각하면 될 것 같습니다. 또, 우리 눈이 사물을 입체적으로 볼 수 있는 이유 중 하나가 좌안과 우안이 양안 시차를 가지고 서로 일치하지 않는 상을 보여주기 때문인데요, HMD도 이 점을 이용하여 양쪽 눈에 다른 화면이 보이도록 설계되어 있습니다. 마지막으로 VR에는 트래킹 기술이 접목되어 있습니다. 사용자의 머리, 손, 발 등의 동작을 인식하여 화면이 돌아가게 하고, 가상세계에 반영시켜주면서 가상적인 환경에 직접 들어와 있는 현실감을 느낄 수 있게 되는 것입니다.

최적의 자세를 분석하는, 3D 프린팅 기술

3D프린팅을 통한 스키점프 자세 분석
이미지출저 http://news.kbs.co.kr/news/view.do?ncd=3426274

피겨 스케이팅과 함께 동계 올림픽의 꽃이라고 불리는 종목은 바로 스키점프입니다. 이 스키점프 종목의 발전에는 3D 프린팅 기술이 있었다는 사실, 알고 계셨나요? 스키점프 훈련 중에는 실제로 선수들의 공중자세를 3차원으로 정밀 촬영하여 이를 3D프린터로 1/4크기 모형을 만든 뒤, 최적의 자세를 분석하는 것이 포함되어 있습니다. 허리의 각도, 다리를 벌린 정도 등을 달리하여 측정하면, 비거리를 최대로 할 수 있는 최적의 자세를 찾을 수 있는 것입니다.

그렇다면 3D 프린팅의 대표적인 형태인 첨가형 프린팅기법에 대해 알아볼까요? 프린팅에 앞서, 먼저 컴퓨터 지원 설계(Computer-aided design, CAD) 프로그램 등을 이용하여 3D 모델을 디자인하여 인쇄기에 제공합니다. 그러면 재료(합성수지)가 들어있는 노즐은 좌우로 움직이고, 제작단(물체가 프린팅 되는 장소)은 앞뒤로 움직이며 한 단면을 완성합니다. 그 뒤, 제작단이 0.1mm정도 내려가 다음 단면을 그 위에 만들고 이런 단면이 점점 쌓이며 3차원 입체적인 형태를 만들어 낼 수 있는 것입니다.

움직임을 분석하여 자세를 교정하는, 지면 반력 측정기(GRF)

Ground Reaction Sensor를 통한 3D 움직임 분석
이미지출저 https://www.youtube.com/watch?v=W8Ig3Z73Gfc

마지막으로 소개할 훈련 기술은 지면 반력 측정기(Ground reaction force-GRF)입니다. GRF는 누르는 힘을 측정하는 장비로서, 전후 상하 좌우의 움직임을 모두 분석할 수 있습니다. 선수들은 이 측정기 위에서 수차례 연습한 자세를 시연해 보면서 최적의 자세를 찾기 위한 훈련을 계속한다고 합니다. GRF는 크게 두 가지 측정방식으로 나뉘는 데요, 지면에 설치된 압전 소자에 의해 형성되는 전압의 크기로 힘을 측정하는 ‘압전 방식(piezoelectric)’과 힘이 가해지면 sensor내부에 물리적인 변형(strain)이 가해지고, 그 변형 정도를 이용하여 힘을 측정하는 ‘스트레인 게이지방식(Strain Gauge)’이 있습니다. 2차원 발바닥 곳곳에 부착된 센서가 3차원적으로 사용자의 움직임을 분석하며 선수의 자세가 바르게 교정되도록 큰 도움을 줍니다. 이런 GRF는 장미란 선수가 2008 베이징 올림픽에서 금메달을 쥐게 하는 데 결정적인 역할을 했다고 불리는 장비이기도 합니다.

국민체육진흥공단 한국스포츠개발원 문제헌 박사는 “스포츠과학은 메달을 만들지는 못하지만 메달의 색깔은 바꿀 수 있다”라고 말합니다. 20세기 냉전 시대의 국가와 체제의 우월성을 경쟁하는 올림픽과는 달리, 스포츠과학의 발전 아래 동계올림픽은 우리에게 더 화려한 볼거리를 제공하고 있습니다. 저도 내년 초 남자 스키점프 결승전 경기를 관람하러 가는데요, 첨단과학기술을 바탕으로 한층 더 향상된 선수들의 기량을 볼 수 있길 기원하겠습니다. 대한민국 대표팀 화이팅!

문제헌 박사의 말씀 인용) http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2016/07/03/0200000000AKR20160703014900007.HTML

글_서재민 생명과학과 17학번(알리미 23기)

기획 특집 Ⅲ · 최신 IT기술로 평창올림픽 백 배 즐기기

여러분은 지금까지 어떻게 올림픽을 즐겨 오셨나요? 관중들의 함성소리, 자랑스러운 우리나라 선수들의 포효, 그리고 경기장 내에 울려 퍼지는 애국가. 상상만 해도 설레지 않나요? 2018 평창 동계 올림픽에서는 이런 감동 넘치는 올림픽의 분위기를 훨씬 더 생동감 있게 즐길 수 있다고 합니다. 그러면 지금부터 평창 올림픽만의 IT 기술은 무엇인지, 또 어떤 원리인지 파헤쳐 보도록 하겠습니다!

증강현실(AR) 길 찾기 서비스

수많은 인파가 몰리는 평창 올림픽 경기장. 그 가운데, 어떤 외국인이 당신을 찾아와 “B9 좌석이 어디인가요?”라는 질문을 던집니다. 인파에 가려 현재 위치도 파악하기 어렵고 유창한 영어가 필요한 지금! 당신에게 ‘증강현실 길 찾기’ 기능이 있다면 얼마나 편리할까요? 이를 위해, 평창 올림픽에서는 ‘실시간 AR 길 찾기 서비스’를 제공합니다. 포켓몬고를 흔히 들었던 우리에게, AR은 상당히 친숙한 IT 기술입니다. 그런데 이 기술이 어떤 원리인지 다들 아시나요? 여러분이 AR 기술을 고안하는 사람이라고 생각해 봅시다. 우선, GPS 기술이 있어야겠죠? 그래야 현재 위치를 파악할 수 있으니까요. 그리고 여러분이 어떤 방향을 보고 있는지 알기 위해서는 기울기 및 중력 감지 센서가 필요할 거예요. 이제 배경 파악은 모두 끝이 났습니다. 위치와 방향을 알았으니 여러분 주변에 어떤 건물이 있는지 또 그 건물에 대한 정보를 제공하기만 하면 되겠네요. 그런데 이 수많은 정보들을 스마트폰에 미리 저장할 수는 없습니다. 하지만, 필요한 정보를 여러분의 위치와 방향이 바뀔 때마다 새로 수신한다면 충분히 가능할거예요!

생각보다 간단하지 않나요? 허상이 아닌 실상을 바탕으로 정보를 제공하는 증강현실(Augmented Reality) 기술. 이 기술 덕분에 평창 올림픽에 초대된 수많은 세계인들이 편하게 길을 찾을 수 있게 되었네요!

강릉 월화 거리 & IoT Technology

올림픽을 즐기기 위해 평창과 그 주변 지역으로 몰리는 사람들. 올림픽 경기만 즐기고 가기에는 뭔가가 아쉽습니다. 강원도에 왔으니, 강원도의 대표 음식들, 그리고 명소 정도는 들러줘야 하지 않겠어요? 그런데 혹시 ‘차가 막히지 않을까’, ‘맛집에 이미 사람이 붐비고 있으면 어떡하지’라는 걱정이 앞서시나요? 이를 위해, 강릉에서는 ‘IoT 기술을 활용한 무인기기’를 설치하였다고 합니다. IoT? 낯선 이름이지만 사실 우리에게 친숙한 기술입니다. 놀이공원에서 놀이기구의 대기시간을 보여주는 무인기기, 그리고 실시간 교통상황을 보여주는 내비게이션. 이 모두가 IoT 기술을 활용한 사례입니다! 그러면 이제 IoT에 대해 알아볼까요? IoT는 Internet of Things의 약자로, 인간의 개입 없이 사물 간의 정보 통신이 이뤄지는 기술인데요, ‘사물인터넷’이라고 불리기도 해요. 이 기술을 이해하기 위한 키워드는 바로 ‘대화’입니다. 대화를 위해서는 우선 사물과 사물이 만나야 합니다. 그리고 서로 누구인지 묻는 ‘인식’이 필요하겠죠. 따라서, 우리가 사용하는 인터넷과 같이 ‘IP 주소’가 있어야 할 겁니다. 이제 대화를 해볼까요? 자신의 경험을 상대방에게 전달하고 또 이를 토대로 답하는 과정이 있을 텐데요, 이를 위해서는 주변을 감지할 수 있는 센서가 필요할 겁니다. 인간의 촉각, 시각 나아가서 후각 미각의 역할을 대신하는 거죠! 사물 간의 대화라니, 정말 신기하지 않나요? IoT 기술로 원활히 대화하는 무인기기 덕분에 평창을 찾은 많은 여행객들이 강원도를 훨씬 편하게 즐길 수 있을 거예요!

세계 최초 5G 올림픽

사실 위에 소개된 기술들은 엄청나게 빠른 인터넷 속도가 보장되지 않으면 사용하는 데 많은 어려움이 있을 거예요. 이를 가능하게 해주는 기술이 바로 ‘5G(5th Generation)’ 기술입니다! 스마트폰을 사용해 본 경험이 있으신가요? 대부분의 독자 여러분들은 4G에 대해 들어 봤을 거예요. 그렇다면 5G는 4G에 비해 얼마나 빠른 속도를 자랑하는지 그리고 또 어떤 차이가 이를 가능케 하는지 여러분 모두 궁금하지 않나요? 5G와 4G의 가장 큰 차이는 바로 ‘주파수’입니다! 4G는 2GHz 이하의 주파수를 사용하는 반면, 5G는 28GHz의 고대역 주파수를 사용하는데요. 이 차이가 엄청나게 다른 인터넷 속도 차이를 이끌어 낸다고 해요. 5G는 얼마나 빠른 걸까요? 5G의 다운로드 속도는 현재 이동통신 속도인 300Mbps에 비해 70배 이상 빠르고, 일반적인 LTE에 비해선 280배 빠르다고 해요. 쉽게 말해서, 1Gb짜리 영화 한 편을 10초 안에 다운 받을 수 있다는 거죠. 빠른 정보 통신이 보장된다면, 시속 500km로 달리는 고속 열차에서의 정보 송수신이 가능해지는 동시에, 자율주행자동차를 포함한 AR 그리고 IoT같은 최신 IT 기술의 상용화가 더 앞당겨지게 되는 거죠! 5G 기술이 도입된 평창 올림픽에서는, 경기에 집중하는 선수들의 시야를 관중들이 실시간으로 볼 수 있게 되고 88 올림픽보다 28배 선명한 4k UHD 화질의 대형 스크린을 통한 중계화면이 제공된답니다!

글_이호준 화학과 16학번(알리미 22기)