“섭섭박사 서커스에 오신 것을 환영합니다~!”
섭섭박사님의 실험실에서 별안간 서커스 공연이 열렸어요!
연말을 맞아 친구들을 집으로 초대해 즐겁게 해 주려는 섭섭박사님의 이벤트였지요. 섭섭박사님은 ‘아슬아슬 균형 잡기’ 묘기를 보여
주겠다고 얘기하시는데…, 어떤 묘기를 볼 수 있을까요?
왜 이런 일이?
→ 결과 : 사인펜이 수평으로 누운 채 끈에 매달려 균형을 잡는다.
사인펜이 균형을 잡고 있는 건 회전하는 물체가 갖는 ‘각운동량 보존법칙’으로 설명을 할 수 있어요. ‘각운동량 보존법칙’은 빠른 속도로 회전하는 물체가 그 운동 상태를 계속 유지하려는 성질을 뜻해요. 자전거가 달리는 중에는 쓰러지지 않고 균형을 잡는 것도 이 때문이죠. 마찬가지로 피젯 스피너가 회전하고 있을 때엔 회전축이 되는 사인펜이 움직이지 않도록 고정시키는 힘이 생긴답니다. 이 힘이 사인펜에 가해지는 중력을 상쇄시켜, 공중에 안정적으로 누워 있을 수 있는 거죠.
이 원리를 이용해 만든 장치가 ‘자이로스코프’예요. 자이로스코프는 회전하는 원판에 서로 수직 방향인 3개의 축이 달려 있는 팽이 모양의 장치랍니다. 원판이 회전할 땐 3개의 축을 어떤 방향으로 돌려도 원판의 중심축이 움직이지 않죠. 그래서 1900년대 초반엔 배가 물 위에서 비틀거리지 않도록 고정시키는 데 자이로스코프가 사용됐답니다.
파리나 모기 등 곤충의 날개를 크게 확대해서 보면 양쪽 날개 밑에 주걱처럼 생긴 돌기가 튀어나와 있는 것을 확인할 수 있어요. 이건 ‘평균곤’이라고 불리는 기관이랍니다. 곤충이 비행하는 중에 몸이 얼마나 어떻게 기울어져 있는지를 알아내는 기관이죠.
곤충은 날갯짓을 하면서 발생하는 평균곤의 진동을 이용해 몸의 기울기를 감지해요. 날갯짓을 할 때 평균곤도 함께 빠르게 진동하는데, 몸의 기울기에 따라 평균곤이 진동하는 진폭이 조금씩 바뀐답니다. 이렇게 발생한 진동의 변화는 평균곤 아래쪽에 있는 감각기관으로 전달되고, 이를 통해 곤충은 몸이 얼마나 기울어져 있는지 파악할 수 있죠.
평균곤의 움직임은 파리의 비행 능력을 분석하는 데에도 사용될 수 있어요. 지난 7월, 프랑스의 국립과학연구센터와 엑스마르세이유대학교 연구팀은 천장에 거꾸로 매달려 있던 파리가 어떻게 똑바로 비행을 할 수 있는지 분석했답니다. 연구팀은 초고속 카메라를 이용해 파리가 비행하는 모습을 촬영했어요(위 사진). 파리는 천장에서 떨어지면서 몸통을 먼저 돌린 뒤, 머리를 돌리는 방식으로 자세를 잡았죠. 회전하는 데엔 0.05초가 걸렸고, 몸통이 돌아간 뒤 0.016초 뒤에 머리가 돌아갔어요. 연구팀은 이를 두고 “날갯짓과 평균곤을 이용해 먼저 자세를 안정시킨 뒤 시각을 안정시키는 방식으로 비행하는 것”이라고 분석했어요.
왜 이런 일이?
→ 결과 : 거북이 인형이 펜 뚜껑 위에서 균형을 잡고 서 있다.
물체의 균형을 잡기 위해선 ‘무게중심’을 잡아야 해요. 무게중심이란 물체가 지닌 무게의 중심점으로, 뾰족한 물건으로 이 지점을 받치면 물체의 모든 지점에 중력이 동일하게 작용하기 때문에 어느 한쪽으로 기울어지지 않고 그대로 균형을 유지하죠.
무게중심을 이용한 장난감 중 대표적인 것이 ‘오뚝이’예요. 오뚝이는 아랫면이 둥그런 인형의 밑바닥에 무거운 추를 붙여놓은 장난감이랍니다. 무게중심이 아래에 있을수록 물체는 잘 쓰러지지 않는데, 오뚝이 바닥에 붙은 추가 무게중심을 아래로 고정시키는 역할을 하죠. 그래서 오뚝이는 기울여도 쓰러지지 않고 다시 일어나요.
위 실험에선 인형의 양발에 붙은 자석이 무게중심을 아래로 옮기는 역할을 해요. 여기에서 무게중심은 펜 뚜껑과 닿는 꼬리의 끝부분보다도 아래에 위치한답니다. 덕분에 이 인형을 손으로 툭툭 건드려도 쓰러지지 않고 균형을 잡을 수 있죠.
