뉴턴의 운동 제 1법칙 - 관성의 법칙

역학에 있어서, 아니 과학에 있어서 절대 빼놓을 수 없는 사람이 있다. 바로 뉴턴이다.

뉴턴이라는 과학자에 대해서는 다음번에 자세하게 다뤄보도록 하겠다.

아무튼 우리가 과학공부가 빡쎄지는 것에 크게 공헌을 한 사람이다.

뉴턴의 3가지 법칙에 대해서는 많은 사람들이 들어봤을 거라고 생각한다. 그중
하나인 뉴턴의 제1법칙인 관성의 법칙에 대해 알아보자.

 

1. 관성?

관성이란 운동 상태의 변화에 대한 저항력이다.

쉽게 이야기하면 외부에서 힘이 가해지지 않는 한 물체는 자기의 상태를 그대로 유지하려고 하는 것을 말한다.

 

좀 더 쉽게 말하면 멈춰있는 물체는 계속 멈춰있으려고 하고 달리고 있던 물체는 계속 달리려고 하는 것.

그것이 바로 관성이다.

 

사람이 100m를 전력질주한다고 생각해보자. 딱 100m에서 멈추는 것은 안될 것이다.

십중팔구 몇m는 더 달리다가 멈추게 될 것이다. 관성이 있기 때문이다.

관성의 정의를 다시 읽어보자.

 

"외부에서 힘이 가해지지 않은 한 물체는 자기의 상태를 그대로 유지하려고 하는 것"

 

물체 - 사람

유지하려는 상태 - 달리는 상태

가해지는 외부의 힘 - 달리기를 멈추기 위한 사람의 힘.

 

이렇게 쉽게 알 수 있다.

 

2. 관성의 크기
관성의 크기를 결정하는 중요한 요소 중의 하나는 물체의 질량이다. 질량이 클수록 관성도 크다.

상황을 하나 가정해보자.

같은 바닥에 같은 크기의 축구공과 볼링공이 멈춘 상태로 놓여 있다. 대부분은 알 것이다. 볼링공은 축구 공보다 월등히 무겁다. 모르겠으면 직접 들어보자. 볼링공이 더 무거워 힘이 많이 든다.
자꾸 반복하는 것 같지만 관성의 정의를 다시 읽어보자.

 

"외부에서 힘이 가해지지 않은 한 물체는 자기의 상태를 그대로 유지하려고 하는 것"

 

물체 - 축구공과 볼링공

유지하려는 상태 - 바닥에 놓여 멈춰져 있는 상태

가해지는 외부의 힘 - 공을 들기 위한 사람의 힘.

 

질량이 큰 볼링공을 들어올리기 위해 더 많은 힘이 들것이다. 이 말을 바꿔 말하면, 멈춰진 공의 상태를 바꾸기 위한 힘이 더 든다는 것이고, 질량이 클수록 원래 상태를 유지하려는 힘인 관성이 더 큰것이다.
그렇기 때문에 질량이 클수록 관성이 크다고 우리는 쉽게 말할 수 있다.

 

축구공과 볼링공을 나란히 놓고 들어 올려보는 저 상황은 일반적인 상황은 아니다.

볼링장에 축구공을 들고 오는 경우는 없을 것이며, 축구장에 볼링공을 들고 오는 경우는 더욱 없을 것이다.
하지만 우리의 생활 속에서 크고 작은 많은 관성을 확인할 수 있다.

어디에서 관성을 확인 할 수 있을까? 한번 알아보자.

 

 

3. 관성의 예

단 하나의 물체로 대부분의 관성을 설명할 수 있는 것이 있다.

바로 자동차이다.

달리다가 멈추는 노란버스, 멈춰있다가 달리는 청록버스

노란버스의 경우를 보자. 차가 왼쪽으로 달리다가 멈추는 경우다.

왼쪽으로 가는 차가 멈추기 위해서는 브레이크를 밟아야 한다.

브레이크를 밟으면 차량의 이동방향과 반대되는 마찰력이 오른쪽으로 작용할 것이다.

그러나 사람은 버스와 함께 왼쪽으로 가는 상태였기 때문에 차가 멈춘다면 몸은 왼쪽으로 기울어진다.

 

청록 버스의 경우를 보자. 차가 멈춰있다가 왼쪽으로 달리는 경우다.

사람은 버스와 멈춰있던 상태였기 때문에 버스가 갑자기 왼쪽으로 출발한다면 사람의 몸은 원래 상태를 유지하기 위해서 몸이 오른쪽으로 기울 것이다.

 

위 두경우는 발과 버스바닥 사이의 마찰력 때문에 하체는 버스와 함께 움직이나

상체는 관성에 의해 원래의 자리에 있기 때문에 몸이 뒤로 쏠리거나 앞으로 쏠린다.

버스를 자주 이용한다면 이런 말을 하는 버스기사님을 본 적이 있을 것이다. 심지어 안내방송도 나온다.

 

"버스가 정차하고 나서 일어나서 내려라"

 

적어놓은것 처럼 반말을 하진 않는다. 여튼간에 저 말을 하는 이유는 관성에 의해 사람이 넘어져서 다칠 수도 있기 때문에 위험하기 때문이다. 앉아서 이동하는 것이 바람직하나 만석의 버스에서는 불가능하다. 그렇게 때문에 버스나 지하철 내부에 항상 손잡이라는 것이 있는 것이다.

 

분노의 질주 같은 자동차 액션영화를 보면 차를 위험할 정도로 급커브를 돌 때 탑승자들이 탱탱볼 마냥 여기저기 튀는 것을 볼 수 있는데 이 역시 관성 때문이다.

 

하나 더 좋고 무서운 예시가 있다. 바로 교통사고

차량사고가 발생하면 자동차의 속도는 0이 되지만 그 안에 탑승하여 같은 속도로 움직이던 사람은 관성에 의해 그 속도를 유지한다. 대형사고가 났을 시 자동차 강화유리문을 뚫고 바깥으로 날아가는 장면을 볼 수 있다. 만약 시속 100km로 달리다가 교통사고가 났을 경우를 생각해보자. 관성에 의해 사람은 100km의 속도로 유리문을 깨고 밖으로 날아간다거나 100km의 속도로 차 내부 여기저기 부딪힐 것이다. 이 정도의 사고가 난다면 살아남기 힘들 것이다.

이러한 것을 막아주는 것이 안전벨트이다. 교통사고 시 관성에 의해 날아갈 수 있는 사람을 막아주는 관성을 억제하는 역할을 한다.

 

그 외에도 관성의 예를 아주 많다.

날달걀인지 삶은 계란인지 구분할 때 달걀을 돌린 다음 손으로 붙잡아 멈추게 한 뒤 즉시 손을 떼면 날달걀이면 달걀이 다시 돌려고 하며 삶은 계란은 그대로 정지해 있다. 이것도 역시 관성 때문인데 먹을 거로 장난치지 말자.

 

또 탑처럼 나무블록을 여러 개 쌓아 올린 후 가운데를 망치 같은 걸로 툭 치면 나무블록 탑은 무너지지 않고, 가운데만 쏙 빠진다던지. 관성에 의한 현상이다. 참고하여 젠가 할 때 써먹어보자.

 

그 외에도 이불 먼지를 턴다던지, 여러 가지 경우가 있다. 관성의 법칙에 대해서 검색해보면 수많은 예가 있을 것이다. 찾아보는 것도 좋지만, 일상생활에 있어서 과연 어떤 게 관성이 작용되어 이용되는지에 대한 고민도 한 번쯤 해보고 찾아보는 것도 재밌을라고 생각된다.