시뮬레이션을 통해 도쿄 주경기장의 더위와 습도가 선수들에게 미치는 영향을 보여줄 수 있다

Cradle CFD 시뮬레이션을 통해 도쿄 올림픽에서 육상 선수들의 체온이 39°C의 '티핑 포인트'를 넘어서는 위험한 상황에 처하게 될 수도 있음을 알 수 있다

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A computational fluid dynamics simulation of an athlete sat on a running track showing temperature ranges on different parts of the body. The torso and head are blue and the legs a green.

CAE시뮬레이션 소프트웨어 및 서비스 분야의 글로벌 선도기업 한국엠에스씨소프트웨어는 자사의 Cradle CFD 소프트웨어를 이용해 도쿄 주경기장의 더위와 습도가 선수들에게 미치는 영향을 보여줄 수 있다고 밝혔다. 이 시뮬레이션에서는 역대 가장 뜨거운 장소에서 경기를 하는 선수들이 열사병, 탈수, 탈진 등의 위험한 상황에 처할 수 있음을 보여주고 있다. .

에어버스, 도요타, 삼성 등의 세계 주요 제조업체가 사용하고 있는 Cradle CFD 시뮬레이션 소프트웨어의 엔지니어들은 덥고 습한 환경이 10,000m 육상 경기(경기장의 가장 긴 트랙 레이스)에 참가하는 남성 선수에게 미치는 영향을 시뮬레이션했다. 비록 경기는 일몰 후에 진행되지만, 시뮬레이션에 따르면 선수들은 여전히 혹독한 상황에 처해있는 것으로 나타났다.
시뮬레이션에 따르면 평균 기온이 27° C(80.6F) 및 70% 습도에서도 10,000m 달리기 선수의 심부 체온은 39°C(39.07 또는 102.3F)를 넘을 수 있다. 신체에서 38°C(100.4 F) 이상의 온도는 고열로 간주되며, 연구 결과에 따르면 신체의 생화학 반응이 최적으로 기능하기 위해서는 심부 체온이 35~39°C(95~102.2F)를 유지되어야 한다. 체온이 32.2°C(90F)를 넘을 경우, 열사병, 열경련, 열탈진 등에 처할 위험이 있다.

이처럼 도쿄의 무더운 여름철에 올림픽을 개최하기로 한 결정에 대한 우려가 커지고 있다. 전문가들은 "이런 고온다습한 환경에서는 절대 뛰지 말아야 한다”고 경고했다. 7월 말과 8월 초 도쿄의 평균 기온은 1984년 이래로 올림픽이 열렸던 개최지 중 가장 높은 기온을 기록했다. 지난 1964년에 열렸던 도쿄 올림픽은 이처럼 더운 기온에 대한 우려 때문에 10월로 개최가 연기된 바가 있다. 열사병은 선수들에게 날씨와 관련된 가장 큰 위협일 가능성이 높다. 열사병은 바람이 거의 없는 고온 및 다습한 환경에 장시간 노출될 경우 발생하며, 실신, 발작 또는 일반적인 과로를 일으킬 수 있다.

단 몇 도의 온도 변화가 선수들에게 얼마나 해로운 영향을 미칠 수 있는지 보여주기 위해 Cradle CFD 엔지니어는 두 가지 시나리오를 바탕으로 시뮬레이션했다:

  • 평균보다 더운 조건: 바람이 거의 없음, 기온 32°C, 습도 90%
  • 연평균 조건: 약한 바람, 기온 27°C, 습도 70%

이 시뮬레이션은 약간의 날씨 변화가 인체에 얼마나 큰 영향을 미치는지를 보여준다. 기온이 평균보다 5도 이상 올라가면 시뮬레이션된 심부 체온은 39.77°C(103.6F)로, 피부 온도는 37°C(98.6F)로 상승한다.

또한 두 가지 시나리오 중 더운 조건에서 선수의 머리 온도는 40°C(104F)를 넘어선다. 반면, 평균 조건에서도 머리 온도는 39.2°C(102.6F)가 될 수 있다. 모든 신체 기관 중에서 뇌는 열에 가장 취약한 기관 중 하나로, 고열로 인해 민감한 신경 활동 패턴이 변화되고 신경세포가 죽거나 발작을 일으킬 수 있다. 허벅지와 골반(모두 40.7°C 또는 105.3 F) 역시 공기 온도가 평균보다 높을 경우 높은 심부 체온에 취약한 신체 부위이다.

습도는 선수의 경기력과 건강에도 중요한 영향을 미친다. 7월의 도쿄 평균 습도는 70%이지만 습도가 90%까지 올라가면 30분간 육상 경기를 하는 선수가 배출하는 땀은 630mL(약 1.3파인트)에서 평균 810mL(1.5파인트)로 많아진다. 땀은 피부에서 기화하여 몸을 식히는 데 도움을 주지만, 공기가 이미 많은 수분을 함유하고 있는 습한 날씨에서는 기화의 냉각 효과가 많이 사라지기 때문에 이러한 상황에서 선수에게 미치는 영향은 더욱 악화된다. 동시에, 탈수는 전신 온도의 상승을 가속화하며, 신체가 받는 충격은 더욱 커진다.

이 시뮬레이션은 경기장에서 트랙이 가장 긴 육상 경기인 10,000m 종목에 초점을 맞추고 있지만, 이 결과를 통해 특히 강한 지구력이 요구되는 경기 참가자들을 비롯한 모든 선수들이 얼마나 어려운 상황에 처해 있는지 알 수 있다. 선수들은 이처럼 30°C(87.8F)를 넘기도 하는 무더운 한낮에 경쟁을 펼쳐야 한다. 기후 변화가 도쿄의 기온이 높아진 핵심 원인으로 지목되고 있다. 도쿄의 평균 기온은 1900년 이후 2.9°C 상승했는데, 전 세계 평균 기온의 상승 속도보다 3배 이상 빠르다.

이 시뮬레이션을 만들기 위해 엔지니어들은 열/유체 현상을 시뮬레이션하는 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)을 사용했다. 헥사곤의 Cradle CFD 소프트웨어는 구조화되지 않은 메시를 사용하여 복잡한 지오메트리를 정확히 나타낸다. 이 소프트웨어는 일반적으로 에어컨 시스템을 설계하고, 작업자의 편의를 이해하고, 보다 효율적인 건조기를 설계하는 데 사용된다.

시뮬레이션 조건에는 풍속과 습도, 30분간(대략적인 경기 시간) 선수들이 발산하는 열, 달리기 동작으로 인해 발생하는 공기 흐름 등이 포함된다. 일본 와세다대 연구팀이 개발한 JOS 모델(JOS-2 Joint System Thermoregulation Model)을 사용하여 선수의 신체 안정도를 분석한다. 이 JOS 모델은 체격, 성별, 연령을 계산에 사용할 수 있다. 이 온도 조절 모델과 CFD(전산유체역학)를 결합하면 주변 환경의 변화가 심부 체온과 신체 전반의 피부에 미치는 영향을 분석할 수 있다.

헥사곤의 매뉴팩처링 인텔리전스 사업부의 설계 및 엔지니어링 마케팅 부사장인 Keith Hanna는 “올림픽을 도쿄의 여름 날씨에 개최하기로 한 결정에 관해 많은 논의가 있었던 것으로 알고 있습니다. 이 시뮬레이션은 선수들이 얼마나 극한의 환경에서 경기에 임해야 하는지를 보여줍니다. 선수들은 한계에 도전하는 데 익숙하며, 이러한 시뮬레이션은 경기 상태가 경기력에 어떤 영향을 미치는지는 물론 신체가 극단적인 상황에 처할 때 발생하는 위험을 보여줍니다. 가장 흥미로운 점은 기온의 미세한 변화입니다. 기온이 단 몇 도만 바뀌어도 선수에게 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 심부 체온이 39°C의 '티핑 포인트'를 넘어가는 순간을 얼마나 빨리 발견하는가가 관건이 될 것입니다."

시뮬레이션 동영상과 그 자세한 과학적 원리는 여기에서 확인할 수 있다.


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헥사곤에 대한 더 자세한 정보는 hexagon.com 및 트위터 @HexagonAB에서 확인할 수 있다.

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