제2권 · Chapter 2 · 3. 회전 운동

3-3. 각운동량 보존 — 피겨 스케이터는 왜 팔을 오므리면 빨라지는가

아무도 밀어주지 않았는데 빨라진다?

2018년 평창 동계올림픽, 피겨 스케이팅 경기를 떠올려보자.

스케이터가 빙판 위에서 천천히 회전하기 시작한다. 팔을 넓게 벌리고 우아하게 도는 모습이 보인다. 그런데 갑자기 팔을 몸에 착 붙이는 순간 — 회전 속도가 놀랍도록 빨라진다. 눈으로 쫓을 수 없을 만큼 빙글빙글 돈다. 얼마 후 다시 팔을 벌리면 회전이 느려지며 부드럽게 멈춘다.

이상하지 않은가?

아무도 스케이터를 밀어주지 않았다. 빙판 위에 혼자 서 있을 뿐이다. 그런데 팔을 오므리는 것만으로 회전이 빨라졌다. 에너지가 어디서 온 걸까? 무슨 힘이 작용한 걸까?

사실, 밖에서 아무런 돌림힘도 가해지지 않았다. 스케이터가 한 일은 오직 질량의 분포를 바꾼 것 — 팔을 벌렸다가 오므린 것뿐이다. 그런데도 회전 속도가 극적으로 변했다.

이 "마법"의 비밀은 물리학에서 가장 아름다운 보존법칙 중 하나인 각운동량 보존법칙에 숨어 있다. 이 법칙은 피겨 스케이팅뿐 아니라 행성의 궤도, 은하의 형성, 블랙홀의 회전, 심지어 고양이가 떨어질 때 항상 발로 착지하는 현상까지 설명한다.

핵심 질문: "외부에서 돌림힘이 가해지지 않는 계에서, 회전에 대해 절대 변하지 않는 양은 무엇인가? 그리고 그것이 왜 스케이터의 회전 속도를 바꾸는가?"