농구 경기장에서 들려오는 농구화 삑삑 소리(basketball shoes squeaky)는 누구나 알아챌 수 있는 독특한 음향이다. 우리는 오랫동안 이 소리를 당연하게 여겨왔지만, 최근 물리학 연구를 통해 그 비밀이 밝혀졌다. 농구화는 왜 삑삑거리는지(why are basketball shoes squeaky)에 대한 답은 예상외로 복잡한 과학 원리에 있었다. 실제로 고무 밑창이 초당 약 4,800회 반복되는 펄스를 생성하며, 이것이 주변 공기 압력을 변화시켜 삑삑거리는 농구화 소리 효과(squeaky basketball shoes sound effect)를 만들어낸다. 이 글에서는 농구화 특유의 소리가 만들어지는 물리학적 메커니즘을 상세히 살펴본다.

농구화는 왜 삑삑거리는가?

과학자들은 오랫동안 농구화 삑삑 소리를 ‘스틱-슬립(stick-slip)’ 현상으로 설명해왔다. 이 이론은 신발 밑창이 반복적으로 붙었다 떨어지면서 소리를 낸다고 봤지만, 저속 이동 상황만 살펴봤을 때 나온 결론이라는 한계가 있었다.

하버드대학교 연구팀은 빠른 속도에서 발생하는 소음의 메커니즘을 밝혀내기 위해 농구화가 매끄러운 유리판에 부딪히고 미끄러지는 장면을 초고속 촬영했다. 관찰 결과, 신발 밑창과 바닥 사이 경계면에서 발생하는 마찰 효과가 밑창에 파동 같은 변형을 일으키며 ‘펄스’를 만들어냈다. 이 펄스는 초당 수십 미터 속도로 밑창을 가로질러 이동했다.

연구팀은 소음의 높낮이가 파동 발생 빈도와 정확히 일치한다는 사실을 확인했다. 소리의 피치는 신발 밑창의 단단함과 두께에 의해 결정됐다. 평평한 밑창에서는 펄스가 제멋대로 사방으로 퍼져나가며 불규칙한 잡음을 냈지만, 운동화 바닥 패턴처럼 요철이 있는 표면은 일정한 파동 주기를 생성해 높은 음의 거슬리는 소리를 만들어냈다.

밑창의 융기 패턴이 만드는 음향 현상

밑창 형태가 소리 생성에 결정적 역할을 한다는 사실이 실험을 통해 입증됐다. 평평한 고무 블록을 유리 위에서 미끄러뜨리면 불규칙한 펄스가 발생해 뚜렷한 삐걱거림 대신 넓게 퍼지는 ‘쉬익’ 하는 소리가 났다. 반면 고무 표면에 얇은 돌기를 추가하자 펄스가 일정 간격으로 반복되며 특정 주파수의 음이 형성됐다.

연구팀은 이 원리를 활용해 높이가 다른 실리콘 고무 블록을 음계에 맞게 조율한 뒤 순서대로 미끄러뜨려 영화 ‘스타워즈’의 ‘제국 행진곡’을 연주하는 데 성공했다. 밑창에 작은 돌기를 추가하면 불규칙하게 발생하던 진동을 규칙적으로 바꿀 수 있다는 사실이 입증된 셈이다.

특히 일부 실험에서는 마찰 과정에서 미세한 섬광이 포착됐다. 연구진은 이를 ‘미니어처 번개’에 비유했으며, 몇몇 경우 이러한 불꽃이 미끄러짐 펄스를 촉발하는 것으로 나타났다. 또한 연구진은 고무의 움직임 자체보다 형태가 소리의 음높이를 결정하는 데 더 중요한 역할을 한다는 점도 확인했다.

슈퀘이크에서 지진 물리학까지

농구화 밑창 연구는 ‘이종재료 마찰(bimaterial friction)’이라는 더 큰 물리학 분야에 속한다. 서로 다른 두 재료가 마찰할 때 나타나는 특수한 물리 현상을 다루는 이 분야에서, 농구화가 단단한 나무 바닥을 문지르는 현상은 지진 발생 시 서로 다른 단층이 미끄러지며 마찰하는 현상과 놀랍게도 유사하다.

지진이 발생할 때 단층 전체가 한 번에 멈추고 시작하는 것이 아니라, 분리 파문이 단층을 따라 이동한다. 이는 운동화 밑창에서 관찰된 현상과 마찬가지로 작동한다. 연구팀은 고무 실험 장치가 실험실에서 지진 물리학을 연구하는 손쉬운 방법이 될 수 있다고 판단했다.

오레곤주 바이오메카니카(BioMechanica) 컨설팅 회사의 스틱-슬립 전문가 마틴 쇼튼(Martyn Shorten)은 “20년 전 내가 손을 댔던 문제를 더욱 발전되고 기술적으로 정교하게 분석한 연구”라며 “정말 마음에 든다”고 평가했다.

연구 결과는 마찰을 단순화된 1차원 모델로 완전히 설명할 수 있다는 가정에 도전한다. 두 표면이 서로 상대적으로 움직이는 방식을 지배하는 물리학은 지진 역학과 일치한다. 지진파와 슬립 펄스가 지각 단층을 따라 매우 빠른 속도로 전파되며, 때로는 음속에 근접하거나 초과하기도 한다.

히브리대학교 물리학 교수 슈무엘 루빈스타인(Shmuel Rubinstein)은 “운동화의 삑삑 소리는 지질학적 단층 파열만큼 빠르거나 더 빠르게 전파될 수 있으며, 그 물리학이 놀라울 정도로 유사하다”고 밝혔다. 하버드대학교 응용역학 교수 카티아 베르톨디(Katia Bertoldi)는 “표면 형태가 슬립 펄스를 지배하는 방식에 대한 새로운 통찰이 필요에 따라 낮은 마찰에서 높은 그립 상태로 전환할 수 있는 조정 가능한 마찰 메타물질로 가는 길을 열어준다”고 설명했다.

결론

농구화 삑삑 소리는 단순한 잡음이 아니라 복잡한 물리 현상의 결과물이다. 밑창과 바닥 사이 마찰이 만드는 펄스, 밑창 패턴이 결정하는 음높이, 그리고 지진 물리학과의 놀라운 유사성까지, 이 모든 발견은 일상 속 현상이 얼마나 깊은 과학 원리를 담고 있는지 보여준다. 무엇보다도, 이 연구는 조정 가능한 마찰 소재 개발이라는 실용적 가능성을 열어놓았다. 우리는 이제 농구화 소리를 들을 때마다 그 안에 숨은 과학을 떠올리게 될 것이다.