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운동장에 놓여 있던 돌멩이가 갑자기 위로 툭 튀어오르기 위해서는 주위로부터 힘을 받아야 한다. 또 돌진하는 자동차를 세울 때도 힘이 필요하다. 이처럼 물체의 운동에는 힘이 큰 영향을 끼친다. 4백여년 전 위대한 물리학자 뉴턴은 힘과 운동의 관계를 세가지 법칙으로 정리해냈다. 이 세가지 뉴턴의 운동법칙은 오늘날까지도 물체의 운동을 설명하는데 사용되고 있다.

운동법칙 왕중왕전 아리스토텔레스 대 갈릴레이

그리스 출신의 과학자 아리스토텔레스(BC 384-BC 322)는 “물체가 운동을 계속하기 위해서는 힘을 계속 받아야 한다”고 생각했다. 이와 달리 이탈리아 피사에서 태어난 물리학자 갈릴레이(1564-1642)는 “물체는 스스로 운동을 계속하는 성질을 가지고 있기 때문에, 힘이 작용하지 않으면 일정한 빠르기로 한 방향으로만 계속 진행할 것”이라고 생각했다. 또 그는 “운동 방향이나 빠르기를 변화시킬 때만 힘이 필요하다”고 말했다. 두 사람 중 누가 옳은지는 갈릴레이가 죽던 해의 크리스마스에 태어난 뉴턴이 판정을 내렸다. 뉴턴은 갈릴레이의 손을 뻔쩍 들어준 것이다.물리에서 힘은 물체의 운동을 변화시키는 어떠한 작용이나 영향을 말한다. 이 힘은 크기와 함께 방향도 고려해야 하는 벡터량이다. 그래서 물체에 두개 이상의 힘이 가해질 때 물체가 받는 알짜 힘은 그저 두 힘의 단순한 합이 아니다.

만일 물체에 작용하는 힘이 모두 상쇄돼 알짜 힘이 0이 되면, 물체의 운동상태는 바뀌지 않는다. 결국 물체는 언제까지나 정지해 있거나 한 방향으로 계속 등속운동을 한다. 물체는 스스로 운동을 유지하려는 고집을 가지고 있는데 이러한 고집을 관성이라고 한다. 관성은 질량이 클수록 크다.

물체의 운동상태를 변화시키기 위해서는 외부에서 힘을 가해야 한다. 외부 힘이 셀수록 운동상태는 빨리 변한다. 같은 힘을 가할 경우에는 질량이 큰 물체일수록 운동상태는 더디게 변한다. 질량이 클수록 자신의 운동상태를 그대로 유지하려는 고집이 세기 때문이다. 또한 어느 한 물체가 다른 물체를 밀거나 당긴다면 힘을 가하는 물체도 같은 크기의 힘을 반대방향으로 받는다. 이러한 성질을 하나 하나 정리한 것이 바로 뉴턴의 힘과 운동에 관한 법칙이다.

1+1≠2 개미의 공동작업은 힘만 낭비

개미에 대해 가지고 있는 인상을 묻는다면 아마도 많은 사람들이 모범적인 일꾼이라고 대답할 것이다. 그러나 개미들이 함께 먹이를 옮기는 장면을 보면, 이들이 그다지 물리를 열심히 공부하지 않았다는 것을 알게 된다. 예를들어 10마리의 개미가 송충이를 옮기는 경우 이중 6마리의 송충이가 움직이는 방향으로, 나머지 4머리는 그 반대쪽으로 당긴다. 힘의 합을 생각해 보면 개미 2마리만 있어도 될 일이다.

그러나 행동이 일치하지 않았기 때문에 쓸데 없이 10마리나 달라붙어야 했던 것이다. 힘을 더할 때는 크기만을 그대로 더해서는 안된다. 방향을 고려해 계산해야 한다.

몸의 회전을 어떻게 알아낼까 관성법칙 이용

삶은 계란과 날계란을 각각 책상 위에 놓고 돌리면 어떻게 될까. 삶은 계란은 쉽게 돌지만 날계란은 잘 돌지 않는 것을 볼 수 있다. 고체 상태인 삶은 계란은 단단하기 때문에 계란 내부로 회전하려는 힘이 쉽게 전달돼 바깥쪽과 안쪽이 함께 돈다. 그러나 날계란의 내부는 액체상태라서 외부의 힘이 안으로 전달되는 정도가 약하다. 따라서 날계란을 붙잡아 돌리면 바깥쪽은 빨리 돌지만 안쪽은 서서히 돌게 된다. 결국 계란 내부에 생긴 여러 회전층이 서로 마찰을 일으켜 회전 운동에너지의 상당 부분이 열에너지로 전환된다. 이 때문에 날계란은 잘 돌지 않는다.

우리 몸 귓속에 있는 반고리관은 이와 같이 관성을 이용해 몸이 회전하는지를 알아낸다. 반고리관 속에는 림프액과 긴 섬모를 가진 감각 세포가 들어 있다. 반고리관이 시계방향으로 회전하기 시작하면 림프액이 즉각 따라 움직이지는 않는다. 반고리관의 내벽에 붙어있는 감각세포에서 보면 림프액이 반시계방향으로 회전하는 것이나 마찬가지다. 이에 따라 섬모가 휘어져서 감각세포를 자극하게 된다. 특히 반고리관은 3개가 서로 직각을 이루고 있어 우리 몸이 어느 방향으로 회전하는지 정확히 알 수 있다.
 

스카이다이버들이 등속도로 내려오는 이유 공기 저항력과 중력의 관계 때문

스카이다이버가 내려오는 동안 아래쪽으로는 처음부터 끝까지 거의 일정한 크기의 힘을 받는다. 하지만 위쪽으로 작용하는 공기 저항력은 계속 달라진다. 공기 저항력은 빨리 움직이는 물체에 더 크게 작용하기 때문이다.

헬리콥터에 꼬리날개가 있는 이유 반대로 회전하는 것 막아

헬리콥터에 회전 날개가 하나만 있다고 생각해 보자. 헬리콥터의 엔진이 작동하면 날개에 힘이 전달돼 돌기 시작한다. 그런데 엔진이 날개를 밀면, 날개도 엔진을 반대방향으로 민다. 이에 따라 헬리콥터 본체(엔진이 붙어 있는 곳)는 날개의 회전 방향과 반대 방향으로 돌게 된다. 그 결과 안락한 비행은 물론 안전 또한 보장되지 않는다. 이러한 본체의 회전을 막기 위해서 새로운 날개를 장착해 반대방향으로 회전시킨다.

헬리콥터가 떠오르거나 앞으로 진행하는 원리도 역시 작용, 반작용의 법칙과 관련이 있다. 주 날개가 돌아 공기를 아래로 밀면, 반대로 공기가 날개(헬리콥터)를 밀어올린다. 만일 앞으로 나아가고 싶으면 공기를 약간 뒤쪽으로 밀면 된다. 그러면 앞쪽으로 추진력을 얻을 수 있다.

안전벨트를 매는 이유 힘의 분산원리 이용

도로교통법에 따르면 승용차의 앞자리에 않은 사람은 모두 안전벨트를 매도록 되어 있다. 안전벨트를 매면 차가 충돌했을 때 부상을 한결 줄일 수 있기 때문이다. 물론 뒷좌석에 탄 사람도 안전벨트를 매는 것이 좋다.

예를 들어 시속 70km로 달리고 있는 자동차라면, 이 안에 탄 승객도 시속 70km로 가고 있는 것이다. 그러다가 차가 충돌해서 멈출 때, 안전벨트를 미리 매 두지 않은 승객은 관성 때문에 계속 70km의 속도로 나아가서 핸들이나 차의 앞유리에 부딪혀 갑자기 멈추게 되고 이에 따라 심한 상처를 입는다. 시속 70km는 5층 정도의 높이(약 20m)에서 떨어졌을 때 바닥에 닿는 속력이다. 그러나 안전벨트를 매게 되면 속력이 서서히 줄기 때문에 작은 힘을 오래동안 받게 된다.

마찬가지로 자동차의 범퍼는 잘 찌그러지도록 만들어져야 한다. 충돌했을 때 차가 찌그러지면서 멈추는데 걸리는 시간을 길게 해 충격을 완화시킬 수 있기 때문이다.