안녕하세요.
제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.
뉴턴의 사과. 여러분도 어릴적에 한 번 쯤 들어봤던 이야기지요?
뉴턴이 사과가 땅에 떨어지는 것을 보고 만유인력의 법칙을 발견했다고 하는 일화는 유명합니다. 사실 모든 사람은 알고 있습니다. 물체는 아래로 떨어진다는 것을. 하지만 뉴턴은 '왜 옆이나 위가 아니라 아래로 떨어지는가'에 대한 의문을 가진 것이죠. 자연현상을 당연하게 바라보지 않고 항상 '왜'라는 의문을 갖는 것이 과학자의 첫번째 자질이겠죠.
뉴턴이 발견한 만유인력과 중력에 대해서 조금 더 자세히 알아봅시다.
▶ 우리가 배울 6가지 힘
1) 중력 [gravity, 重力]
2) 자기력 [magnetic force, 磁氣力]
3) 전기력 [electric force, 電氣力]
4) 탄성력 [elasticity force, 彈性力]
5) 마찰력 [frictional force, 摩擦力]
6) 부력 [buoyancy, 浮力]
*** 만유인력 [universal gravitation, 萬有引力]
■ 만유인력의 정의
만유인력(萬有引力)의 뜻은 '세상 모든 물체(萬物, 만물)는 서로 끌어당기는 힘(引力, 인력)이 있다(有, 있다)'라는 뜻이죠.
뉴턴은 물체가 아래로 떨어지는 것은 '어떠한 힘'이 있기 때문이라고 생각했습니다. 생각 끝에 '세상의 모든 물체는 서로 끌어당기고 있다'라는 만유인력의 법칙을 발견한 것이죠.
여러분이 가지고 있는 스마트폰과 여러분도 끌어당기고 있고, 친구와 친구끼리도 끌어당기고 있다는 말입니다. 하지만 그 힘의 크기가 너무 작기 때문에 느낄 수 없고, 물체끼리 당기는 힘도 다른 힘들과 비교해서 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 서로 가까워지거나 붙지 않는 것입니다.
■ 만유인력의 크기
두 물체 사이에 서로를 끌어당기는 만유인력은 두 물체의 질량이 크면 클수록, 거리가 가까우면 가까울 수록 커집니다. 반대로 질량이 작고, 거리가 멀면 만유인력의 크기는 작아지죠. 한 마디로 정리해볼까요?
만유인력은 질량에 비례하고 거리에 반비례한다
■ 우리 ↔ 지구
사과가 땅으로 떨어지고, 물이 아래로 흐르고, 우리가 지면에 붙어서 생활할 수 있는 이유가 바로 만유인력 때문입니다. 지구의 질량이 엄청나게 커서 지표 근처 물체와 서로 끌어당기는 만유인력도 큰 것이죠. 이렇게 지구가 물체를 끌어당기는 힘을 '중력'이라고 합니다. 이제 중력에 대해서 더욱 자세히 알아봅시다.
*** 중력 [gravity, 重力]
지구가 물체를 끌어당기는 힘을 바로 '중력'이라고 합니다. 중력은 항상 끌어당기는 힘(인력)이며 밀어내는 힘(척력)은 작용하지 않습니다.
■ 중력의 방향
중력의 방향은 항상 지구 중심 방향입니다. '연직(鉛直)방향'이라는 어려운 말도 사용합니다. 여기서 연(鉛)은 '납'이라는 뜻입니다. 무거운 금속이죠. 직(直)은 '곧다'라는 뜻이고요. '연직방향'은 '납을 실에 매달아 떨어지는 곧은 방향'이라는 뜻입니다. 결국 지구 중심 방향과 똑같은 뜻입니다.
■ 중력의 크기
만유인력은 질량에 비례하고 거리에 반비례한다고 했었지요. 만유인력의 한 종류인 중력의 크기도 같습니다. 물체의 질량이 클수록, 지구에 가까울수록 중력이 커지겠지요.
물체에 작용하는 중력의 크기를 '무게(weight)'라고 한답니다. 우리가 평소에 사용하는 '몸무게', '체중'이라고 할 때 그 '무게'입니다. 그렇다면 '질량'과 '무게'는 어떻게 다른 걸까요?
*** 질량 vs 무게
■ 질량 [mass, 質量]
질량에 대해 검색을 하면 '장소나 상태에 따라 달라지지 않는 물질의 고유한 양'이라고 정의가 되어 있습니다. 왜 질량은 장소, 상태에 따라 변하지 않는 걸까요?
답은 질량의 측정 방법에 있습니다. 질량을 측정하는 기구는 양팔저울이나 윗접시저울입니다. 한 쪽에 물체를 올려놓고, 수평이 될 때까지 다른 쪽에 분동을 올려놓습니다. 수평이 되었을 때 올려놓은 분동의 질량이 그 물체의 질량이 되는겁니다. 질량을 측정할 때에는 같은 장소에서 이렇게 서로 비교해서 측정하기 때문에 어디에 가서 측정하던지 결과가 변하지 않습니다. 심지어 달에 가서 측정해도 질량은 똑같겠지요.
▶ 질량의 단위
질량의 단위는 g(그램), kg(킬로그램)을 사용합니다. 우리가 질량을 측정할 때 사용하는 분동의 단위죠. 그렇다면 우리가 평소에 '너 몸무게가 몇 키로야?'라고 묻는 건 잘못된 표현인걸까요? '몸질량이 얼마야?'라고 물어야 할까요?
■ 무게 [weight, 重量]
무게란 물체에 작용하는 중력의 크기입니다. 즉, 지구가 물체를 끌어당기는 힘의 크기를 무게라고 하는겁니다. 중력의 크기는 지구 곳곳에서 미세하게 달라집니다. 지구는 완벽한 원이 아닌 타원모양이기 때문에 적도와 극지방에서의 중력이 조금 다를 수 있겠죠. 그래서 중력은 질량과 다르게 측정하는 장소에 따라 달라집니다.
무게는 체중계나 용수철저울로 측정합니다.
▶ 질량과 무게의 관계
중력은 물체의 질량이 클수록, 거리가 까까울수록 크다라고 했었죠.
무게는 물체에 작용하는 중력의 크기고요.
그렇다면 무게는 질량이 클수록 크고, 질량이 작을수록 작다는 결론이 나옵니다.
따라서 무게를 계산할 때는 질량에 작용하는 중력을 곱해줍니다.
★ 무게 = 질량 X 중력
▶ 무게의 단위
무게는 중력(힘)의 크기이기 때문에 무게의 단위로는 힘의 단위인 N(뉴턴)을 사용합니다.
또 kg·f (킬로그램힘)이라는 단위가 있는데요, '무게 = 질량 X 중력(힘)'이기 때문에 질량의 단위인 kg(킬로그램)에 중력(힘, force)을 곱해준다는 의미입니다.
▶ 무게 계산하기
질량 1kg인 물체에 작용하는 중력의 크기는 약 9.8N이라고 합니다. 무게를 계산하는 방법은 아주 간단합니다.
★ 무게 = 질량(kg) X 중력(9.8N)
ex) 질량이 10kg인 물체의 무게는
10kg X 9.8 = 98N or 10kg·f
이 됩니다
우리가 이번 단원에서 배울 여러가지 힘 중에 '중력'에 대해 공부해보았습니다. 중력의 정의와 질량과 무게의 구분을 확실하게 알아두세요. 물론 무게를 계산하는 방법(9.8N)도 꼭 익혀두시길 바랍니다!!
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