나무에서 떨어지는 사과로 시작된 뉴턴의 운동법칙은 우리 일상생활의 현상들을 과학적으로 입증한 이론이자 뉴턴을 물리학의 아버지로 만들어준 이론입니다. 이 글에서는 뉴턴의 운동법칙 실생활 사례를 통해 누구나 쉽게 뉴턴의 운동법칙 3가지를 이해할 수 있도록 하겠습니다.
1. 관성의 법칙
관성의 법칙이란?
뉴턴의 제1 운동법칙인 관성의 법칙은 물체가 외부에서 힘이 가해지지 않는 한 현재의 운동 상태를 유지하려는 성질을 말합니다. 즉, 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고, 운동하고 있는 물체는 계속해서 같은 속도와 방향으로 운동하려는 성질을 의미하는 것입니다.
이 관성의 법칙으로 인해 공기가 없는 우주에서 물건을 집어 던지면 지구와 달리 던져진 물건에 가해지는 외부적 요인(마찰력)이 없기 때문에 영원히 같은 방향으로 날아가게 되는데, 대표적으로 혜성이나 행성의 공전 역시 이 관성의 법칙에서 비롯된 현상입니다. 이때 이 관성의 힘은 물체의 질량에 정비례하기 때문에 물체가 무거울수록 관성 역시 커지는 결과를 낳게 됩니다.
실생활 사례
급정거, 급출발
우리 실생활에서 자동차를 탈 때마다 관성의 법칙을 경험하고 있는데 예를 들어, 어느 버스가 시속 100km로 달리고 있다고 가정해 봅시다. 이때 버스 안에 있는 사람들도 같은 속도로 움직이고 있는 상태입니다. 그런데 만약 갑자기 버스가 급정거한다면 어떤 일이 벌어질까요?
차는 브레이크를 밟아 멈추게 되지만, 버스 안에 있는 사람들은 버스를 머리에서 지워버리고 보면 관성의 법칙(운동 상태를 유지하려는 성질) 때문에 여전히 시속 100km로 이동 중인 것입니다. 그러므로 안전벨트(외부에서 가해지는 힘)이 없으면 급정거 시 차는 멈췄지만, 몸은 시속 100km로 앞으로 튀어 나가게 되는 것이죠. 반대로 급출발을 하게 되면 버스는 엔진(외부 요소)으로 인해 전진하는 운동을 하지만 몸은 정지된 상태를 유지하려는 관성 때문에 뒤로 밀리게 되는 것입니다.
롤러코스터
놀이기구 중 많은 것들이 관성의 법칙에 영향을 받는데 롤러코스터를 하나의 예로 들자면 롤러코스터가 빠르게 움직이다가 급격히 방향을 바꿀 때 우리의 몸은 계속 원래 방향으로 나아가려는 느낌을 받습니다. 예를 들어, 롤러코스터가 오른쪽으로 급격히 회전할 때 몸은 왼쪽으로 쏠리게 됩니다. 이는 몸이 이전에 가지고 있던 운동 방향을 계속 유지하려는 관성 때문입니다. 또한, 롤러코스터가 높은 곳에서 아래로 급락할 때도 롤러코스터와 함께 우리 몸도 아래로 떨어지며 중력을 받지만, 몸은 순간적으로 원래의 위치에 머물러 있으려는 관성 때문에 붕 뜨는 느낌을 받게 되면서 마치 영혼이 가출한 듯한 느낌을 받는 것이죠. 이처럼 관성은 물체가 그 상태를 유지하려는 자연스러운 성질로, 뉴턴의 운동법칙 중 가장 직관적으로 체험할 수 있는 법칙 중 하나입니다.
2. 가속도의 법칙
가속도의 법칙이란?
뉴턴의 제2 운동법칙인 가속도의 법칙은 물체에 가해지는 힘(F)이 물체의 질량(m)과 가속도(a)의 곱과 같다는 것입니다. 이는 공식으로 ‘F=ma’로 표현되는데 중학교 물리 시간에 졸지 않으셨다면 한 번쯤은 보셨을 만큼 유명한 물리 공식인데. 가속도의 법칙 하나만으로도 현대 과학이 다루는 모든 변화를 설명할 수 있을 만큼 매우 중요한 법칙이지만 쉽게 설명해보겠습니다.
가속도의 법칙 : F=ma
F = 힘(Force)
물체에 변화를 일으키는 요인 : m = 질량(Mass)
물체의 무게 : a = 가속도(Acceleration), 물체가 겪게 되는 변화 또는 속도의 변화
가속도의 법칙은 간단히 말해, 물체에 가해지는 힘이 클수록, 그리고 물체의 질량이 작을수록 그 물체의 가속도가 커진다는 의미입니다. 가속도의 법칙을 스포츠에서 생각해보면 이해하기 쉬운데 만약 야구에서 투수가 던지는 야구공이 볼링공처럼 무겁다면 그렇게 빨리 던질 수 없을 것입니다. 반대로 볼링 선수가 야구공을 굴려도 볼링핀을 쓰러트릴 만큼의 힘이 전달될 수 없는 것을 상상해보시면 좀 더 이해하기 편하실 것입니다.
실생활 사례
쇼핑 카트
마트에서 쇼핑 카트를 밀어본 경험이 있는 사람이라면 빈 카트와 가득 찬 카트를 밀 때의 차이를 분명히 느낄 수 있을 것입니다. 빈 카트를 밀 때는 비교적 적은 힘으로도 요리조리 내가 원하는 방향으로 쉽게 움직일 수 있지만, 카트에 물건을 가득 채웠을 때는 훨씬 더 많은 힘이 필요한 것처럼 가속도의 법칙에 따라 빈 카트는 질량이 작으므로 동일한 힘을 가했을 때 훨씬 큰 가속도가 발생하고 가득 찬 카트는 질량이 크기 때문에 같은 힘을 가해도 가속도가 훨씬 작게 되는 것입니다. 이는 다시 말해, 질량이 큰 물체를 움직이기 위해서는 가벼운 물체보다 더 큰 힘이 필요하다는 이치를 물리 법칙으로 검증한 것입니다.
자전거
자전거를 타고 페달을 밟을 때도 우리는 가속도의 법칙을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 페달을 약하게 밟으면 자전거는 천천히 움직입니다. 그러나 페달을 세게 밟으면 자전거는 더 빠르게 나아가는데 이는 더 큰 힘을 가할수록 가속도가 커지기 때문입니다. 너무 당연한 이야기라면 좀 더 깊이 들어가 보겠습니다. 자전거를 타고 가파른 언덕을 오를 때는 평지를 달리는 것보다 더 세게 페달을 밟아야 자전거는 앞으로 나가게 됩니다. 이는 언덕에서는 중력이라는 추가적인 힘이 자전거의 무게를 더 무겁게 하는 것이기 때문인데, 무거운 물체는 더 큰 힘을 가해야만 가속도가 발생하게 되는 가속도의 법칙에 따라 더 세게 페달을 밟지 않으면 자전거는 가속도가 붙지 않고 서서히 더 큰 힘이 작용하는 곳으로 운동 방향이 바뀌게 되는 것입니다.
3. 작용 반작용의 법칙
작용과 반작용의 법칙이란?
뉴턴 운동 제3 법칙이라 불리는 작용-반작용의 법칙은 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 동시에 발생한다는 것입니다. 즉, 하나의 힘이 어떤 물체에 작용하면, 그 물체는 동일한 크기의 힘을 반대 방향으로 돌려준다는 것으로 물체에 작용하는 힘은 방향만 다를 뿐 그 힘의 크기는 같다는 원리입니다.
실생활 사례
격투기
종종 권투, MMA 같은 격투기 시합을 보다 보면 일방적으로 때리고 있던 선수가 어느 순간 지쳐버리면서 상황이 역전되는 경우를 종종 볼 수 있는데 작용, 반작용의 법칙에 의하면 역설적이게도 선수들은 자신이 상대방을 타격할 때마다 상대방뿐 아니라 본인 스스로도 맞고 있는 것이고 데미지가 누적되어 서서히 신체가 지쳐가게 됩니다. 그래서 웅크린 채 피해를 최소화한 상대가 마지막에 역전할 수 있게 되는 것이죠. 직접 느껴보고 싶으시다면 지금 당장 벽을 한번 주먹으로 내리쳐 보시기 바랍니다. 분명 때린 것은 본인인데 자기 주먹이 아픈 걸 보면 쉽게 작용, 반작용의 법칙을 이해하실 것입니다.
로켓 발사
로켓이 우주로 발사될 때를 생각해보면 뉴턴의 운동법칙 세 가지가 모두 들어가는데 먼저 관성의 법칙에 따라 육중한 로켓을 움직이기 위해서는 엄청난 힘이 가해져야 정지 상태에 있는 로켓을 움직일 수 있습니다. 이를 위해 로켓은 발사 직전 연료를 폭발시켜 순간적으로 엄청난 힘을 로켓의 운동 방향으로 전달하고, 발사를 끝낸 뒤에는 가속도의 법칙에 따라 공기의 마찰력을 극복할 수 있는 가속력을 내기 위해 연소 가스를 아래로 분출하며 속도를 높입니다. 이때 발사 직전의 폭발과 가속도를 위한 연소 가스 배출이 모두 작용 반작용 법칙에 따라 힘을 얻기 위한 것으로 로켓 발사는 뉴턴의 운동법칙 3개를 모두 담고 있는 아주 좋은 사례로 보실 수 있습니다.