d라이브러리

추석을 앞둔 섭섭박사님은 조카들에게 어떻게 용돈을 줄지 고민하고 있었어요. 그러다 동전과 지폐를 활용한 재미있는 실험을 떠올렸지요. 섭섭박사님은 이 실험에 성공한 조카에게만 용돈을 주기로 했답니다.

도전 실험
지폐 위의 동전, 컵 안에 넣어라!

섭섭박사님은 컵 위의 지폐만 빼내고 동전은 컵 안에 넣는 실험을 준비했어요. 지폐를 어떻게 빼내야 동전만 컵 속으로 떨어질까요?

준비물
동전, 지폐, 투명한 컵

➊ 컵 위에 지폐를 올린다.

➋ 지폐 위 가운데에 동전을 올린다.

➌ 지폐 끝을 잡고 빠르게 잡아당긴다.

➍ 동전이 어디로 떨어지는지 관찰한다.

➔ 결과: 동전은 지폐를 따라 움직이지 않고, 컵 속으로 떨어진다.

모든 물체는 정지해 있거나 움직이는 상태를 유지하려는 성질을 가져요. 이런 성질을 ‘관성’이라고 합니다. 물체의 운동 상태를 바꾸려면 반드시 바깥에서 힘이 작용해야 해요. 외부 힘이 없으면, 정지한 물체는 계속 정지해 있고, 움직이는 물체는 같은 속도로 계속 움직여요. 이를 관성의 법칙 혹은 뉴턴 제1 법칙이라고 합니다.

지폐를 천천히 잡아당기면, 동전에도 지폐의 이동 방향으로 힘이 가해져요. 그러면 동전은 컵이 아닌 옆에 있는 바닥으로 떨어지지요. 하지만 지폐를 빠르게 잡아당기면, 동전에 힘이 전달되기 전에 지폐만 빠져나갑니다. 동전은 원래 있던 자리에 머물려는 관성을 가지고 있어 그대로 컵 속으로 떨어지게 돼요.

우주인은 지구와 다른 환경에서 근육량이 줄어드는 문제를 겪어요. 이에 이탈리아 연구팀은 우주인의 근 손실을 막기 위한 우주인 맞춤형 운동법을 개발했습니다.

▲Alberto E. Minetti et al.

천장의 줄에 매달린 참가자가 원통 벽을 따라 달리고 있다.

중력은 질량을 가진 물체와 지구가 서로 끌어당기는 힘이에요. 지구에서는 중력이 사람의 몸을 아래로 끌어당기기 때문에, 이를 버티려고 항상 근육을 사용해요. 하지만 중력이 거의 없는 우주에서는 근육을 쓸 일이 적어 우주인의 근육이 점점 약해져요. 

우주인들은 사이클을 타는 등 우주에서도 근력 운동을 하지만, 우주선까지 운동 기구를 옮기고 설치하는 건 쉽지 않아요. 이에 2024년 5월, 이탈리아 밀라노대학교 연구팀은 운동 기구 없이도 할 수 있는 운동법인 ‘원통 안쪽 벽 달리기’를 개발했습니다.

지구에서는 중력이 몸을 끌어내리는 힘과 땅이 몸을 밀어내는 힘이 균형을 이뤄요. 그래서 땅 위에서 빠르게 달릴 수 있지요. 반면 중력이 거의 없는 우주에서는 몸이 떠버려서 달리기 어려워요. 그런데 직선이 아닌 원형 통로에서는 다릅니다.

우주에서 원형 통로를 달리면 발을 내디디려고 할 때마다 발이 벽에 닿아요. 이때 발이 벽을 누르는 힘과 벽이 발을 미는 힘이 균형을 이뤄 몸이 뜨지 않고 달릴 수 있어요. 원통 안쪽 벽을 따라 달리면 일자로 나아가려는 관성과 아래로 떨어지려는 중력이 동시에 작용하기 때문이에요. 지구에서는 중력이 관성보다 더 크게 작용해 사람은 원통 벽 아래로 떨어지지만, 우주에서는 관성이 중력보다 커서 사람이 원통 벽 아래로 떨어지지 않아요.

연구팀은 이 운동법이 실제로 가능한지 실험했습니다. 천장에 매달린 줄에 두 명의 참가자를 연결하자 두 사람의 몸이 공중에 떠 마치 우주 같은 환경이 만들어졌어요. 실험 결과, 지름 9.7m인 원통 안쪽 벽에서 참가자들은 한 바퀴인 약 29.7m를 달리는 데 성공했답니다.

실험 하나 더!
물병을 넘어뜨리지 않고 지폐만 빼내라!

섭섭박사님이 준비한 두 번째 실험은 물병 사이에 낀 지폐를 빼내는 실험입니다.
이때 물병이 쓰러지면 안 돼요. 어떻게 해야 지폐만 빼낼 수 있을까요?

 

준비물
액체가 들어 있는 병 2개, 지폐

➊ 병의 입구 위에 지폐를 올린다.

➋ 그 위에 다른 병을 거꾸로 올린다.

➌ 한 손으로 지폐 끝을 잡고, 다른 손의 집게손가락으로 지폐를 눌러 빠르게 빼낸다.

➍ 지폐가 빠져나가도 두 병은 쓰러지지 않는다.

➔ 결과: 병은 넘어지지 않고, 두 병 사이에 낀 지폐만 빠져나온다.

물체는 바깥에서 힘이 가해지지 않을 때, 원래 운동 상태를 유지하려는 관성을 가지고 있습니다. 이 실험에서 실험자는 지폐에만 힘을 주고, 물이 든 두 병에는 힘을 주지 않아요. 따라서 지폐를 빼내도 두 병은 관성 때문에 넘어지지 않고 그대로 서 있는 거랍니다.

하지만 액체가 들어 있지 않은 가벼운 병으로 실험하면, 지폐를 빼는 작은 힘에도 영향을 받아 병이 쓰러질 수 있어요. 가벼운 병처럼 질량이 작은 물체는 관성이 작아 운동 상태가 쉽게 변하기 때문이에요.

질량은 물체가 가진 고유한 양인 동시에 관성의 크기를 나타내기도 해요. 질량이 작은 물체는 관성이 작아 운동 상태가 쉽게 변하고, 질량이 큰 물체는 관성이 커 운동 상태가 잘 변하지 않아요. 따라서 서로 다른 질량을 가진 두 물체에 같은 힘을 주면, 질량이 작은 물체가 더 크게 움직여요. 이런 성질 때문에, 무중력 상태에서는 물체가 얼마나 쉽게 움직이는지를 보고 그 물체의 질량을 판단하기도 합니다.