안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
버스나 지하철을 탈 때에 몸이 앞이나 뒤로 쏠리게 되는 느낌 받아본 적이 있으신가요? 넘어지지 않으려 손잡이를 잡고 버텨도 나도 모르게 기울어지는 몸. 그 이유는 무엇일까요? 오늘 시간 관성을 통해 알아보겠습니다. 

[관성의 법칙]
 관성이란, 외부로부터 물체에 어떤 힘이 작용하지 않는 한, 그 물체가 자신의 운동 상태를 계속해서 유지하려고자 하는 성질을 뜻합니다. 즉 정지한 물체는 정지 상태를, 운동하는 물체는 운동 상태를 계속 지속하고자 하는 것입니다.
이 관성의 법칙은 1687 아이작 뉴턴이 자신의 저서 [프린키피아]를 출판하며 알려지게 되었습니다. 관성의 법칙은 그가 발표한 운동의 세 가지 법칙 중 첫 번째로 소개되어 ‘뉴턴의 운동 제1법칙’ 이라는 이름으로 불리기도 합니다.
뉴턴은 갈릴레오 갈릴레이의 사고실험에서 힌트를 얻어 이와 같은 법칙을 발견하게 되었습니다.
  

[갈릴레이의 사고 실험]
사고실험이란 실제로 만들 수 없는 장치나 조건을 머릿속에서 생각으로 진행하는 실험을 말합니다.
오래전 갈릴레오 갈릴레이는 하나의 실험을 머릿속으로 그려보았습니다. 바로 마찰이 없는 공간에서 물체의 운동에 관한 것이었습니다. 본래 물체는 힘을 받아 운동하게 된다고 하더라도 물체와 접촉면 사이에 발생하는 마찰력 때문에 정지하게 됩니다. 그러나 만일 이 마찰력이 하나도 존재하지 않는 공간이 있다면 어떻게 될까요? 갈릴레이는 머릿속 실험실에서 빗면과 공을 준비했습니다. 그리고 빗면위에 공을 굴려보았습니다. 처음 가해진 방향대로 굴러가는 공. 갈릴레이는 마찰력이 작용하지 않는 한 이 공은 영원히 등속직선운동을 계속하게 될 것이라고 생각했습니다.

지금도 갈릴레이가 굴렸던 그 공은 어딘가에서 등속직선 운동을 하고 있을지도 모릅니다. 이처럼 고집스럽게 자신의 운동상태를 유지하고자 하는 예는 무엇이 있을까요? 실험을 통해 만나보겠습니다.

관성 실험  :  종이 위의 동전 / 수레의 출발 / 추에 달린 줄

1. 종이 위의 동전
: 입구가 커다란 통 위에서 실험을 실시한다. 
 종이위에 동전을 올려놓고 종이를 움직이는 속도를 다르게 하여 동전을 관찰한다.  

-종이의 속도가 빠른 경우
:종이에 빠르게 힘을 가하면 동전은 원래 상태(정지상태)를 유지하고자 하는 관성
종이가 사라진 뒤에는 중력의 힘에 의해 통 아래로 떨어지게 된다.



 
- 종이의 속도가 느린 경우
:종이에 느리게 힘을 가하면 동전과 종이가 동시에 힘을 받기 때문에 힘을 받은 방향으로 같이 움직이게 된다.
 



2. 수레의 출발
: 인형이 탑승한 수레의 앞쪽에 실을 매달고 당겨본다.
인형의 위치가 어떻게 바뀌는지를 관찰한다.
 
- 수레의 출발
: 수레의 앞쪽에 매달린 실을 잡아당기면 인형은 수레의 이동방향과 반대방향으로 넘어지게 된다.
이는 수레를 끄는 힘을 가했을 때 수레와 인형의 발은 그 힘을 직접적으로 받지만 상대적으로 거리가 먼 머리쪽은 힘을 받지 않기 때문에, 본래상태로 정지하고자 하는 관성에 의해 뒤쪽으로 넘어지게 된다.
버스가 출발할 때 버스의 출발 방향과 반대방향으로 몸이 쏠리는 현상을 비유할 수 있다.
반대로 버스가 급정차 할때에는 버스가 멈춰도 탑승객은 계속 앞으로 운동하고자 하는 관성으로 몸이 출발방향과 같은 방향으로 쏠리게 된다.



 
3. 추에 달린 줄
: 추의 위 아래에 모두 실을 연결하여 스탠드에 매달아 둔다.
속도를 달리하여 추의 아래쪽 실을 잡고 잡아당긴 후 끊어진 실이 어느쪽인지 관찰한다.

- 실을 잡아당기는 속도가 빠른 경우
:실을 재빨리 잡아당기면 추는 원래 상태(정지 상태)를 유지하려는 관성작용으로 아래쪽 실이 끊어진다.

 

- 실을 잡아당기는 속도가 느린 경우
: 실을 느리게 잡아당기면 추의 아래쪽 실과 추 그리고 추의 위쪽 실까지 힘이 전달되기 때문에 위쪽 실이 끊어진다.

 



그밖에 예
스포츠에서 만나는 관성의 세계
1. 해머던지기 [ hammer throw ]  : 육상경기의 투척종목중 하나로 해머를 회전시키다 던져 해머가 떨어진 길이를 경쟁하는 경기
선수가 해머를 회전시켜 던지게 되면 해머는 운동하려는 성질을 유지하고자 날아간다.


 

2. 사이클 [ cycling ]  : 사람의 힘으로 자전거를 움직여 속도 경쟁에 임하는 경기
사이클의 페달이 어느 정도 회전한 상태가 되면 발돋움을 하지 않아도 계속 앞으로 진행한다.

 

3. 육상 경기 [ athletics ] : 달리고 뛰고 던지는 인간의 가장 기본적인 움직임을 토대로 트랙 ·필드 ·도로 및 혼성종목을 총괄한 경기
이중 달리기 경주에서 달리기 선수가 결승선을 통과한 후에도 바로 멈추지 못하고 달려나가는 모습에서 운동하던 상태 그대로 운동하고자 하는 관성의 법칙을 발견할 수 있다.   

출처= 이투스me 안현정 강사




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