[바람빛학당 입문 과학] 150521 효율적 일하기_ 운동

[신수임]

오늘은 운동에 대해 배웠습니다.

과학에서 운동이란 물체의 위치가 시간에 따라 변하는 것을 의미합니다. 운동을 표현할 때는 기준점으로부터의 운동 방향과 속력으로 표현하는데, 예를 들면 철수는 영희로부터 동쪽으로 20km/h의 속력으로 가고 있다고 표현합니다. 여기서 속력이 본격적으로 등장합니다. 속력은 물체가 단위 시간(1초, 1시간 등) 동안 이동한 거리로 이동 거리를 걸린 시간으로 나누어 줍니다. 일상 속에서는 자동차의 속력계와 스피드 건 등으로 측정할 수 있고, 실험실에서는 시간기록계나 다중섬광사진 등을 이용합니다.

운동의 기본적인 개념과 표현 방법에 대해 배운 뒤, 갈릴레오의 질문에 동참하였습니다.

야구공을 방망이로 때렸더니, 야구공의 운동 방향이 바뀌었습니다. 이 상황을 보고 갈릴레오는 질문합니다. “왜 야구공의 운동이 변하는가?”

야구공의 운동 방향이 변한 원인을 살펴보면 힘이 작용했습니다. 힘이 작용하지 않았다면 공은 가던 방향 그대로 계속 갔겠지요. 공의 운동방향과 반대 방향으로 힘이 작용하였고, 공의 운동이 변하였습니다. 즉, 힘이 운동을 변화시킵니다.

지난 겨울, "~라고 상상해보자."라며 상상으로 실험하던 아인슈타인의 이야기를 기억하나요? 갈릴레오 역시 "상상" 실험을 했습니다. 갈릴레오는 마찰력이 없는 빗면의 공에 대한 사고실험을 통해 운동하는 물체에 힘이 작용하지 않으면 물체는 등속 직선 운동을 한다는 결론을 얻었습니다. 즉, 힘(알짜힘)을 받지 않는 물체의 운동 상태는 변하지 않기에 정지한 물체는 계속 정지해 있고 운동하던 물체는 등속 직선 운동을 하게 됩니다.

갈릴레오의 운동에 관한 질문에 정량적 법칙으로 답한 이가 바로 뉴턴입니다. 갈릴레오의 사고실험의 결론에서 뉴턴은 관성의 법칙을 정의합니다. 뉴턴의 운동 법칙 중 제1법칙이지요.  물체에 힘이 작용하지 않을 때 물체가 처음의 운동 상태를 계속 유지하려는 성질이 있는데, 질량이 클수록 관성이 크지요. 흔하게는 버스나 엘리베이터에서 느낄 수 있고, 우리는 교실에서 간단히 동전을 컵에 빠뜨리는 실험을 해보았습니다.

등속 직선 운동에서 이동 거리와 시간, 속력과 시간 간의 관계에 대한 그래프를 배운 뒤, 등속 직선 운동을 하는 공에 대한 다중 섬광 사진의 분석하여 직접 표를 채우고, 그래프를 그려보는 시간을 가졌습니다.

물체가 힘을 받으면 속력이나 방향이 변하게 됩니다. 속력의 변화는 물체에 작용한 알짜힘에 비례하고 물체의 질량에는 반비례하는데, 뉴턴은 이를 정리하여 힘과 질량과 가속도에 관한 법칙을 정리합니다. 우리가 익히 알고 있는 F=ma, 뉴턴의 운동 법칙 중 제2법칙에 해당합니다. (지난 시간 작용-반작용 법칙을 배웠으니, 우리는 뉴턴의 운동 법칙 3개를 모두 배운 셈입니다!)

이번에는 속력이 일정하게 증가하는 물체의 이동 거리와 속력을 표와 그래프로 나타내 보았습니다. 그래프를 몇 번 그려보니 이제는 많이 익숙해 졌습니다.

이동 거리-시간, 속력-시간 그래프 간의 관계도 살펴보았습니다. 이동 거리-시간 그래프에서 빗변의 기울기가 속력이 되고, 속력-시간 그래프에서 빗변의 기울기는 가속도가 됩니다. 그리고 속력-시간 그래프에서 면적의 넓이는 거리가 됩니다. 과학의 친구, 수학을 이렇게 만나니 또 친근해집니다.

지난 겨울, 상대성 이론을 공부하며 “사실은 달이 지구로 떨어지고 있다.”고 했던 말을 기억하나요? 달은 앞으로 가려하나 중력으로 인해 지구 주변을 등속 원운동하고 있지요.

등속 직선 운동이 1차원에서의 운동이라면 힘에 의해 방향이 바뀌는 등속 원운동이나 속력과 방향 모두 변하는 포물선 운동은 2차원에서의 운동입니다. 그렇다면 3차원에서의 운동도 있겠지요? 언젠가는 3차원에서의 운동도 배우면 좋겠습니다. 일단은 여기까지!