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상식이 되어버린 ‘관성의 법칙’

  • 2015.08.13.
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KHNP_01

 

물체는 움직이는 것에 다양한 힘의 영향을 받습니다.

일상생활에서도 다양한 사례들을 경험할 수가 있는데요.

예를 들어 정지하고 있던 버스가 갑자기 출발했을 때 몸이 뒤로 쏠리셨던 경험 있으신가요?
둥그런 공을 굴렸는데 어느 순간 멈추는 것을 본 적이 있으신가요?

당연하게 생각했던 많은 일 중에, 자세히 살펴보면 ‘왜 그럴까?’하는 궁금증을 자아내는 것들이 있습니다.
모든 일에는 원인과 결과가 있기 마련입니다. 하지만 의식하지 않으면 많은 것들은 발견되지 못하고 스쳐 지나가기 마련입니다.

아주 오래전부터 남들과는 다른 시각으로 사물을 바라보고, 깊이 탐구했던 이들이 있어 밝혀진 법칙에 대해서 소개해 드리겠습니다. 오늘 이야기할 주제는 바로 ‘관성의 법칙’입니다.

 

KHNP_02

 

◆ 관성의 법칙

물리나 과학에 전혀 취미가 없고 관심도 없는 사람이라 하더라도 관성의 법칙이라는 말을 들어보지 못한 사람은 거의 없을 것입니다.

‘관성의 법칙’은 16세기 후반 뉴턴에 의해서 제시된 법칙입니다. 말인즉 “외부의 힘이 물체에 작용하지 않으면 정지한 물체는 계속 정지해 있고, 운동하고 있는 물체는 현재의 속도를 유지한 채 일정한 속도로 운동을 한다.”라는 것입니다. 이해를 돕기 위해 사례를 들어 설명드리겠습니다. 한가지 상황을 가정해보겠습니다.

빠르게 날아가는 비행기 안에서 여러분은 식사를 합니다. 그런데 식사를 하다가 그만 실수로 포크를 떨어뜨리고 말았습니다. 잠시 뒤 포크가 떨어지는 위치는 어디일까요? 손을 떠난 포크는 아래쪽으로는 중력을 받지만, 비행기가 날아 가는 방향으로는 힘을 받지 않는 상태입니다. 포크가 떨어지는 순간에도 비행기는 앞으로 나아갔으므로 포크는 뒤쪽에 떨어질까요? 네, 잠시 뒤 포크는 뒤로 멀리 날아가 버릴 것입니다.

그런데 실제로는 이런 일이 일어나지 않는다. 왜 그럴까요? 포크가 아래로 떨어지는 동안에도 비행기와 함께 앞으로 갔기 때문이다. 비행기가 나는 방향으로 아무런 힘도 작용하지 않았지만 포크는 비행기와 같은 속력을 그대로 가지고 있던 것입니다.

뉴턴은 이와 같은 현상을 ‘관성’이라 정의합니다. 운동하는 물체에 힘이 작용하지 않으면 물체는 운동 상태를 그대로 유지하려는 성질을 가지고 있다고 생각한 것이다. 이것이 뉴턴의 운동 제1법칙인 ‘관성의 법칙’이 됩니다.

달리던 버스가 급정거하면 앞으로 넘어지거나 브레이크를 급히 밟아도 차가 앞으로 밀리는 경우, 트럭이 급커브를 돌면 가득 실은 짐들이 도로로 쏟아지는 경우, 컵 아래의 얇은 종이를 갑자기 빠르고 세게 당기면 컵은 그 자리에 가만히 있는 현상 모두 관성의 법칙의 예시입니다.

그러나 우리는 관성의 법칙과는 다른 경험을 하기도 하는데요. 마룻바닥에 놓여 있는 물체를 밀면 조금 가다가 곧 멈추게 됩니다. 바퀴를 달면 더 멀리까지 굴러가겠지만 언젠가는 멈추게 됩니다. 관성의 법칙에 의하면 계속 굴러가야 하는데 어떻게 된 일일까요? 물체에는 운동을 방해하는 ‘마찰력’도 작용하고 있기 때문입니다.

 

KHNP_03

 

◆ 관성의 법칙이 처음부터 당연하게 여겨진 것은 아니다

뉴턴의 법칙이 나오기 이전에는 당시 중세 지식의 선구자 아리스토텔레스가 있었습니다. 그는 기본적으로 물체의 운동을 하나의 정지 상태에서 다른 정지 상태로의 변화로 이해했습니다.

더 자세히 말하자면 아리스토텔레스는 물체가 똑같은 운동 상태를 유지하기 위해서는 외부에서 끝없이 힘이 제공되어야만 한다고 주장했는데, 물체에 직접적으로 접촉해 힘을 제공해야 운동이 일어나고, 물체와의 접촉과 힘의 제공이 중단되면 물체는 자신의 운동 상태를 유지할 수 없다고 했습니다.

그러나 관성의 법칙은 외부에서 작용하는 힘이 없는 한 물체는 자신의 원래 운동 상태를 유지한다고 말합니다. 이처럼 그의 법칙은 뉴턴의 ‘역학관’과 정면으로 반대됩니다.

뉴턴과 같이 근대 과학의 시대를 열었던 갈릴레오에 의하면 물체가 정지한 상태는 운동하는 상태의 특수한 경우입니다. 운동 상태가 바뀌는 것은 물체의 외부에서 힘이 가해지는 경우입니다. 즉, 힘은 운동의 상태를 바꾸는 요인이 된다고 합니다.

지금 우리는 뉴턴역학이 옳다고 쉽게 생각하고 있지만, 이론적인 선입견을 배제하고 일상적인 경험만 떠올리면 언뜻 아리스토텔레스의 논리가 더 그럴듯하게 보일 수도 있습니다. 그 때문에 중세 시대에서는 아리스토텔레스의 세계관이 지배적이었습니다.

또한 이러한 관성의 법칙은 외부에서 힘이 작용하지 않을 때 성립합니다. 다시 말해 외부에서 힘이 작용할 때 관성은 깨진다는 것입니다. 관성 변화에는 반드시 힘의 작용이 필요합니다.

오늘은 우리 주위의 물체를 둘러싼 힘의 작용 중 뉴턴의 제1법칙인 ‘관성의 법칙’에 대해 알아보았습니다. 앞서 사례와 더불어 다양한 법칙이 물체에 작용하고 있습니다. 이러한 원리는 현재까지는 인정받고 있는데요. 그 옛날 아리스토텔레스의 이론이 뉴턴에 의해서 부정당한 것처럼, 언젠가 새로운 법칙이 발견될까요?

 

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