고마운 중력

물체는 왜 아래로 떨어질까? 사람들은 물체가 아래로 떨어지는 것을 당연하게 생각한다. 그런데 지금으로부터 약 340여 년 전에 영국의 과학자 뉴턴은 사과가 떨어지는 것을 보고‘왜 떨어질까?’라고 궁금해 했다. 뉴턴은 물체가 아래로 떨어지는 이유는 어떤힘이 아래 방향으로 물체를 끌어당기기 때문이라고 생각했다. 그리고 뉴턴은 지구가 물체를 아래 방향으로 끌어당기는 힘을 중력이라고 하였다

중력은 물체를 지구 중심 방향으로 당기는 힘이다. 우리가 우주 공간을 떠다니지 않고 지구에 있을 수 있는 이유는 중력이 있기 때문이다. 중력이 없다면 사람은 지구에 머무르지 못하고 우주 공간을 떠돌게 될지도 모른다. 이처럼 중력은 우리에게 고마운 역할을 하는 힘이다.

무거운 물건을 옮기는 일은 어렵다. 물건이 가볍고 무거운 정도를 어떻게 느끼는 것일까? 무겁고 가벼운 정도는 물체에 작용하는 중력의 크기가 다르기 때문이다. 이처럼 물체를 당기는 지구 중력의 크기를 물체의 무게라고 한다. 그리고 무게의 단위로는 kg중(킬로그램중) 또는 N(뉴턴)을 사용한다.
중력은 어느 장소에서나 그 크기가 같을까? 중력의 크기는 장소에 따라 다르기 때문에 장소에 따라 무게도 다르다. 그러나 무게가 줄어들었다고 해서 물체의 고유한 양이 줄어드는 것은 아니다. 이처럼 다른 장소에 있더라도 변하지 않는 물체의 고유한 양을 질량이라고 한다. 질량의 단위는 kg(킬로그램)을 사용한다. 예를 들어 우주복을 입은 한 우주인의 질량이 지구에서 120 kg이라고 하면, 이 우주인의 지구에서의 몸무게는 1,200 N이 된다. 그렇다면 이 우주인이 달에 도착했을 때 질량과 몸무게는 어떻게 달라질까? 우주인의 질량은 120 kg으로 지구에서와 같지만, 달에서의 중력은 지구 중력의 1/6밖에 되지 않기 때문에 달에서 우주인의 몸무게는 1,200 N의 1/6인 200 N이 된다. 이처럼 여러 행성의 중력의 크기가 다르기 때문에 각 행성에서의 몸무게도 달라진다.

둥실둥실 부력

우리는 바다를 건너 다른 나라를 여행하거나 물건을 운반할 때 큰 배를 이용한다. 놀이 공원에서는 물 위에 떠서 신나게 달리는 탐험 보트를 타고 재미있는 시간을 보낸다. 그런데, 어떻게 배나 탐험 보트와 같이 크고 무거운 물체가 지구가 아래로 잡아당기는 중력에도 불구하고 물 위에 뜰 수 있을까?
그리스의 과학자 아르키메데스는 목욕을 하면서 물속에 있을 때에는 물 밖에 있을 때보다 몸이 더 가볍게 느껴진다는 사실을 발견했다. 물과 같은 유체 속에 잠긴 물체는 중력뿐만 아니라 위쪽 방향으로도 힘을 받기 때문인데 이 힘을 부력이라고 한다. 물속에 잠긴 물체에 작용하는 부력의 크기는 물체가 밀어낸 물의 무게와 같다. 따라서 물속에서 사람의 몸무게는 물에 잠긴 몸이 밀어낸 물의 무게만큼 가벼워진다.
같은 무게의 물체라도 부피를 크게 만들어 많은 양의 물을 밀어내면 더 큰 부력을 받는다. 커대한 배가 물에 뜰 수 있는 것도 배가 밀어낸 물의 무게, 즉 배에 작용하는 부력이 배의 무게와 같도록 설계되었기 때문이다. 또한 부력은 물과 같은 액체 속에서뿐만 아니라 공기와 같은 기체 속에서도 작용한다. 우리가 평상시 부력을 느끼지 못하는 이유는 우리 몸이 밀어낸 대기의 무게가 우리 몸의 무게에 비해 매우 작기 때문이다.

물속에서의 무게를 측정해 보자

1. 500g 추 한 개와 추가 들어갈 수 있는 크기의 작은 수조, 그리고 용수철 저울을 준비한다.
2. 500g 추를 용수철 저울에 매단 다음 눈금을 확인해 보자.
3. 수조에 물을 2/3정도 채우고 500g 추를 용수철 저울에 매달아 추가 물에 잠기도록 한 후 용수철 저울의 눈금을 다시 확인해 보자.

① 물에 잠긴 추의 무게는 얼마인가?

500g 추의 무게는 490N으로, 추가 물에 잠기면 약 480N으로 줄어든다.

② 물 밖에서와 물속에서 측정한 추의 무게에 차이가 있는가? 있다면 그 이유는 무엇일까??

추가 물 속에 잠기면 중력과 반대 방향으로 부력이 작용하여 물 속에서 놓인 추의 무게는 더 작게 측정된다.

까끌까끌 마찰력

얼음 위에서 스케이트를 타는 선수들의 움직임은 땅 위와는 다르게 우아하고 아름답기까지 하다. 만약 땅 위에서 스케이트를 탄다면 어떨까? 땅 위에서는 스케이트가 잘 미끄러지지 않아 스케이트를 타기 어렵다. 이처럼 땅 위에서 스케이트가 미끄러지지 않도록 방해하는 힘은 무엇일까?
물체가 어떤 면과 닿아서 움직일 때 물체의 운동을 방해하는 이러한 힘을 마찰력이라고 한다. 우리 주변에 있는, 표면이 매끄러워 보이는 물체라 하더라도 그 표면을 현미경으로 확대해서 보면 울퉁불퉁 해 보인다. 이처럼 울퉁불퉁한 면과 면이 맞닿을 때 물체의 운동을 방해하는 힘이 마찰력이다. 마찰력은 물체가 운동하는 방향과 반대 방향으로 작용하며, 접촉면이 매끄러울수록 그 크기는 작아진다. 얼음 위에서 스케이트를 탈 때 스케이트와 바닥 사이의 마찰력은 땅에서 보다 작기 때문에 잘 미끄러지는 것이다.
그렇다면 마찰력의 크기에 영향을 주는 다른 원인에는 무엇이 있을까? 수평으로 놓인 평면 위에서 물건을 밀면 가벼운 물체보다 무거운 물체를 밀 때 힘이 더 필요하다 . 무거운 물체일수록 물체가 놓인 면을 더 큰 힘으로 누르게 된다. 그 결과 물체 사이의 마찰이 더 커져 물체를 움직일 때 더 많은 힘이 필요하기 때문이다. 청소를 할 때 의자보다 책상 끌기가 더 어려운 이유도 마찬가지이다.

마찰력의 크기를 느껴 보자

1. 2명이 한 모둠이 되어 두 권의 책을 준비한다.
2. 두 권의 책을 그림과 같이 한 장씩 겹치게 한다.

① 겹쳐진 책을 잡아당기면 어떻게 되는가?

당기기 어렵다

② 왜 그럴까?

종이와 종이 사이의 마찰력이 합쳐져 마찰력의 크기가 크기 때문에 당기기 어렵다.

밀고 당기는 전기력과 자기력

레일 위에 떠 있는 자기 부상 열차는 마찰력의 영향을 받지 않기 때문에 매우 빠르게 달릴 수 있다. 무거운 자기 부상 열차가 레일 위에 뜰 수 있는 것은 어떤 힘이 작용하기 때문일까?
두 자석을 가까이 대면 같은 극끼리는 서로 밀어내고 다른 극끼리는 끌어당기는 힘이 작용한다. 자석 사이에 작용하는 이러한 힘을 자기력이라고 한다. 자기 부상열차가 레일 위에 떠 있는 것은 같은 극끼리 서로 밀어내거나 다른 극끼리 서로 끌어당기는 자기력을 이용한 것이다. 자기 부상 열차가 앞으로 나아갈 수 있는 것도 같은 원리이다.
자기력과 같이 서로 밀고 당기는 힘에는 또 어떤 것이 있을까? 책받침을 머리에 문지르면 머리카락이 책받침에 달라붙어 올라온다. 이때 머리카락과 책받침은 각각 다른 전기를 띠게 된다. 전기에는 (+)전기와 (-)전기가 있는데, 이렇게 전기를 띤 물체 사이에 작용하는 힘을 전기력이라고 한다. 전기력도 자기력과 마찬가지로 같은 종류의 전기는 서로 밀고, 다른 종류의 전기는 서로 끌어당긴다.

튕기는 탄성력

용수철을 늘였다 줄였다 하는 운동 기구를 이용하면 팔 힘을 키울 수 있다. 이러한 운동 기구는 힘을 주어 용수철을 늘렸다가 용수철이 다시 원래의 모양으로 돌아가는 성질을 이용하여 운동을 할 수 있도록 만들어진 기구이다. 용수철이 늘어나는 이유는 우리가 힘을 주어 당겼기 때문이다. 그렇다면 용수철을 다시 줄어들도록 하는 힘은 무엇일까?

용수철이나 고무줄 같은 물체는 힘을 받아 모양이 변하면 다시 원래 상태로 되돌아가려고 한다. 이러한 성질을 탄성이라 하며 원래 상태로 되돌아가려고 하는 힘은 탄성력이다. 용수철을 잡아당겨 용수철이 길게 늘어날수록 탄성력이 더 커진다. 이때 탄성력이 작용하는 방향은 용수철을 잡아당긴 방향의 반대쪽이다. 고무줄이나 용수철과 같이 탄성력을 가진 물체를 탄성체라고 한다.