d라이브러리

나는 주몽이의 둘째 형, 영포 왕자다. 내 어쩌다 대소 형님한테 구박받고 주몽이 놈한테까지 밀리면서 한심한 놈으로 유명해졌는지…. 아주 내 속이 다 까맣게 탈 지경이구나. 하지만 나도 알고 보면 그렇게 멍청한 놈은 아니야. 신궁 주몽이의 활 쏘는 모습을 곰곰이 살펴보던 중, 힘의 원리를 발견했다 이 말이다.
어허~, 그 의심의 눈초리는 무엇이냐? 너희들까지 날 못 믿는 것이냐? 일단 내 이야기를 들어보고 판단하란 말이다. 에헴!
 
힘, 셀수록 길게

주몽이 다물활을 부러뜨릴 정도로 힘이 세다는 건 온 국민이 다 아는 사실! 그런데, 주몽이 가진 힘은 어떻게 표현해야 하는걸까?
지난 호에서, 과학에서 말하는 힘이란 물체의 모양을 바꾸거나 운동 상태를 변하게 하는 것이라는 걸 알았다. 이 때, 물체의 모양이 바뀌는 정도나 운동 상태가 얼마나 변하는 지가 바로 힘의 크기다.
힘은 크기뿐만 아니라 어디에서부터 어느 쪽으로 작용했는지에 따라 물체에 주는 효과가 달라진다. 이때문에 힘을 표시할 때는 힘의 크기와 방향, 작용점을 표시해야 한다. 이것이‘힘의 3요소’다.
힘의 크기는 화살표의 길이로 표현한다. 즉, 힘이 세면 그만큼 화살표도 길게 그리면 된다. 힘의 크기를 잴 때는 용수철 저울을 사용하는데, 용
수철은 힘의 크기에 따라 일정하게 늘어나는 성질을 갖고 있기 때문이다.

힘의 단위, N(뉴턴)

힘을 나타낼 때는 N(Newton)을 단위로 쓴다. 만유인력을 발견한 뉴턴의 이름을 붙인 것으로, 물체의 질량(㎏)과 가속도(㎨)를 곱한 값이다. 지구에서 물체에 작용하는 중력은 물체의 질량에 중력가속도를 곱한 값이고, 지구의 중력가속도는 9.8㎨이다. 따라서 지구에서 질량이 1㎏인 물체를 용수철 저울에 매달면 1x9.8=9.8N이 된다. 이와 같은 원리로 지구에서 질량이 60㎏인 사람의 몸무게는 60x9.8=588N이 된다.

나란하면 더해라

씽씽 시원하게 달리는 개썰매는 한 마리보다 두 마리가 끌 때, 두 마리보다는 세 마리가 끌 때 더 빨리 달린다. 이걸 힘으로 이해하자면, 썰매를 끄는 개가 많아질수록 개 한 마리당 힘이 계속 더해져서 더 큰 힘이 작용하기 때문이다. 과학에서는 이렇게 물체에 작용하는 모든 힘을 더한 값을 ‘알짜힘’이라고 한다.
썰매를 끄는 개들처럼 같은 방향으로 힘이 여러 개 작용할 때는 그 힘을 더하면 된다. 이 때 더한 힘의 방향은 각각의 힘이 작용하던 방향과 같다.
그런데 줄다리기처럼 반대 방향으로 힘이 작용하고 있을 때는, 큰 힘에서 작은 힘을 빼면 된다.
그런데 줄다리기에서 서로 밀리지도 않고 당겨지지도 않는 팽팽한 상황은, 반대 방향으로 작용하는 두 힘의 크기가 같아 평형을 이룬 상태다. 이런 상태를 ‘힘이 평형을 이루었다’라고 하고, 이 때 작용하는 알짜힘은 0이 된다.
앞에서 이야기했듯이 물체에 힘이 작용하면 물체가 이동하거나 찌그러지는 등 변형이 일어나지만, 이렇게 알짜힘이 0인 상태에서는 힘이 작용하고 있더라도 물체에 변형이 일어나지 않는다.

나란하지 않을 땐 평행사변형을!

신궁인 주몽이 활 쏘는 장면을 생각해 보자. 주몽이 힘을 주어 활시위를 잡아당기면, 가운데에 놓인 활은 양쪽의 활시위로부터 힘을 받게 된다. 그리고 당겼던 활시위를 놓으면 활은 마치 하나의 힘을 받은 것처럼 한 방향으로 날아가 과녘에 꽂힌다. 바로 여기에서 나란하지 않은 힘이 어떻게 더해지는지를 알 수 있다.
 
나란하지 않은 방향으로 작용하는 두 힘을 더할 때는 두 힘을 두 변으로 하는 평행사변형을 그려 그 대각선을 구하면 된다. 바로 이 대각선의 길이와 방향이 두 힘이 더해진 합력의 크기와 방향이 된다. 이 때 나란하지 않은 힘의 합력은, 각각의 두 힘을 더했을 때보다는 항상 작게 된다.
만약 작용하는 힘이 두 개 이상이라면 차근차근 두 힘씩 평행사변형을 그려 계속 대각선을 구해 나가면 된다. 마지막 평행사변형을 그렸을 때 나오는 대각선의 길이와 방향이 모든 힘을 더한 힘의 크기와 방향이 된다.
 
평행사변형 대각선의 길이는 두 변이 이루는 각이 작아질수록 커지기 때문에, 두 힘이 이루는 각이 작을수록 더해진 힘의 크기도 커진다. 활을 쏠 때도 화살을 멀리 보내려면 최대한 활시위를 많이 당겨 양쪽의 활시위가 이루는 각의 크기를 줄여야 한다.
하지만 신궁은 활을 멀리 보내는 사람이 아니라 정확히 목표물을 맞추는 사람! 그래서 양궁 선수나 주몽이나 모두 턱 정도까지만 잡아당겨 활을 쏜다.

클릭! 생활
아치로 버티고, 관성으로 넘어지고!

어떠냐? 나 영포가 이렇게 놀라운 관찰력과 이해력을 갖고 있다는 사실을 이제 인정할 만하지 않느냐? 어허, 아직도 의심의 눈초리가 남아 있구나. 그렇다면 내 생활 속 가까이에서 찾을 수 있는 힘의 원리를 보너스로 들려 주마.

힘을 나눌 줄 알아야 버틴다!

무거운 자동차나 사람들이 지나가도 끄떡없는 다리. 다리 중에서도 특히 둥근 아치형 구조는 힘을 적절하게 나누는 대표적인 예이다. 아치 구조에서는 물체가 내리누르는 힘이 둥근 아치구조를 따라 옆으로 나누어진다. 그 결과 다리에 가해지는 힘의 세기가 줄어들어 무거운 물체가 놓여도 잘 버틸 수 있다. 이런 아치 구조는 다리뿐만 아니라 우리 몸의 발바닥이나 갈비뼈에서도 찾아볼 수 있다. 모두 우리 몸의 무게를 효과적으로 잘 견디기 위한 구조이다.

매일 아침 학교 가는 버스 안에서

버스가 급하게 출발하거나 급하게 멈추는 일은 매일 아침 학교 가는 버스 안에서 누구나 한 번쯤 겪는 일. 버스가 급하게 출발하면 순간 내 몸은 뒤로 밀리고, 빠르게 달리던 버스가 갑자기 멈추면 앞으로 쏠린다. 이 때 생각해 볼 것이 바로 알짜힘! 버스에 타고 있는 사람은 버스와 함께 같은 속도로 움직이고 있기 때문에 다른 알짜힘이 작용하지 않으면 계속해서 운동하려는 성질을 갖는다. 마찬가지로 멈추어 있는 버스에서는 사람도 함께 멈추어 있기 때문에 역시 알짜힘이 작용하지 않으면 계속 멈추어 있으려 한다. 이렇게 알짜힘이 작용하지 않는 상황에서 운동하던 물체는 계속 운동하려고 하고, 멈추어 있던 물체는 계속 멈추어 있으려 하는 성질이 바로 ‘관성’이다.

살아있는 실험실 도전! 가짜 힘 체험

흠~, 이제 좀 날 보는 눈빛이 달라졌구나. 하하하! 기분이다. 가짜힘을 체험해 볼 수 있는 생활 스포츠를 소개해 주겠다. 이제 이 영포님의 실력을 인정할 만하지 않느냐? 음하하!

자전거로 씽씽~ 가짜힘을 느껴 봐!

자전거를 타고 휘어진 길을 돌아 보자. 자신도 모르게 바깥쪽으로 몸이 쏠리기 때문에 쓰러지지 않기 위해 몸을 안쪽으로 기울여야 할 것이다. 이렇게 구부러진 길에서 바깥으로 쏠리는 힘은 자동차를 타고 갈 때도 마찬가지로 느껴진다.
휘어진 길을 달리는 자전거나 자동차처럼 물체가 원운동을 할 때는 중심 방향으로 작용하는 ‘구심력’이 필요하다. 이 때는 지구가 잡아당기는 중력과, 자동차나 자전거 바퀴와 땅 사이의 마찰력이 구심력 역할을 한다.
직선으로 달리던 자전거가 휜 길을 달리게 되면 자전거는 구심력에 의해 길을 따라 방향을 바꿔가며 원운동을 한다. 그러나 자전거에 타고 있는 사람은 관성에 의해 계속해서 직선 운동을 하려 하기 때문에 결국 바깥쪽으로 쏠리는 힘을 받게 된다. 이것이 바로 ‘원심력’으로, 원심력은 실제로 작용하는 힘이 아니라 관성에 의해 느껴지는 ‘가짜힘’이다.

Tip
코리올리 효과 

북반구의 고기압에서는 시계 방향으로 바람이 불어 나가고, 저기압에서는 시계 반대 방향으로 바람이 불어 들어간다. 이러한 현상들은 지구가 계속해서 서쪽에서 동쪽으로 자전운동을 해서 생기는 가짜힘 때문에 일어난다. 즉, 자전거나 자동차의 회전운동과 마찬가지로 관성에 의한 가짜힘 때문으로,‘코리올리 효과’라고 한다.