안녕하세요.
제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.
같은 신발의 바닥 사진입니다. 위, 아래 신발 중 어떤 신발이 더 미끄러울까요? 바닥면이 많이 닳아 무늬가 많이 없는 위에있는 신발이 훨씬 미끄럽겠지요. 신발 바닥에 무늬를 넣고 잘 미끄럽지 않은 소재를 쓰는 이유는 바닥과의 마찰력을 높여서 안전성을 높이기 위한 것입니다. 우리가 배울 여러 가지 힘 중 가장 많이 이용되는 마찰력에 대해서 자세히 공부해봅시다.
▶ 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]
*** 힘에 대한 이해
마찰력에 대해 공부를 하기 전에 과학에서 말하는 힘을 다시 한 번 이해하고 넘어갑시다.
● 과학에서의 힘
과학에서 말하는 '힘'이란 '물체의 모양이나 운동상태(빠르기, 방향)를 변화시키는 원인'입니다.
거꾸로 이해해봅시다. 만약 물체의 모양이 변하지 않고, 빠르기나 방향이 변하지 않는다면 '힘'이 작용하지 않는 것이 되겠지요.
바닥에 정지해있는 물체가 있습니다. 외부에서 힘을 주지않는다면 물체는 계속 정지해있을 것입니다.
하지만 물체에 힘을 가해도 물체가 움직이지 않는다면 어떻게 이해해야 할까요? 정지한 물체가 움직이지 않는다는 것은 운동상태가 변하지 않는 것이죠. (정지 → 정지) 그렇다면 과학에서 말하는 힘이 작용하지 않은 것이고요.
바닥에 정지해 있는 상자를 오른쪽으로 3N의 힘으로 끌어당겼지만 상자는 움직이지 않았다고 생각해봅시다.
정지한 물체가 '움직이지 않았다'라는 말은 '힘이 작용하지 않았다'라는 말입니다. 합쳐진 힘, 즉 합력이 0(zero)가 되면 이런 현상이 일어날 수 있는 것이죠. 방향이 정반대인 3N의 힘이 함께 작용했다는 말입니다.
자, 과학에서의 힘의 작용과 운동 상태의 변화에 대해 이해하셨나요? 이제 마찰력에 대해서 알아보도록 합시다.
*** 마찰력 [frictional force, 摩擦力]
'마찰력'이란 '서로 접촉하고 있는 두 물체 사이의 움직임을 방해하는 힘'입니다. 움직임을 방해하는 힘이기 때문에 마찰력의 방향은 항상 작용하는 힘이나 운동 방향의 반대 방향이겠지요. 작용점은 두 물체의 접촉면입니다.
■ 힘을 가해도 물체가 정지해 있을 때
바닥에 정지해 있는 물체를 오른쪽으로 3N의 힘을 주었으나 물체가 움직이지 않았다면 합력이 0(zero)가 되었다는 뜻이죠. 접촉면에서의 마찰력이 왼쪽으로 3N의 크기로 작용해서 합력이 0이 되었기 때문에 물체가 움직이지 않은 것입니다.
만약 5N의 힘을 주었는데도 움직이지 않았다면 마찰력도 반대 방향으로 5N 만큼 작용한 것이죠.
물체에 힘을 가해도 정지해 있을 때의 마찰력은 작용한 힘의 크기와 같고 방향은 반대입니다.
■ 물체가 운동을 할 때
물체가 운동을 할 때에도 마찰력은 운동 방향과 정반대로 작용합니다.
평지에서든, 빗면에서든 운동방향과 마찰력은 반대로 작용합니다. 중력은 지구 중심 방향(연직 방향)으로 작용하고 있고요.
*** 마찰력 크기에 영향을 주는 요소
여러가지 실험을 통해 마찰력 크기에 영향을 주는 요소에 대해 알아봅시다.
■ 무게
나무판 위에 놓인 어떤 물체에 용수철 저울을 연결해서 끌어당겼을 때, 움직이는 순간의 마찰력을 측정하는 실험을 했습니다. 물체 1개와 물체 2개의 마찰력의 크기는 정확히 2배 차이가 났습니다. 이 실험을 통해 무게가 무거울수록 마찰력이 크다라는 사실을 알 수 있습니다.
■ 접촉면의 상태
첫번째 실험에 쓰였던 바닥 위에 미끄러운 유리판을 깔고 동일한 실험을 하였을 때 마찰력이 3N으로 줄어들었습니다. 이 실험을 통해 접촉면이 미끄러우면 마찰력이 작아진다라는 사실을 알 수 있습니다.
■ 접촉면의 넓이
첫번째 실험에 쓰였던 바닥 위에 상자를 세로로 세워서 접촉면의 넓이를 좁게했습니다. 그리고 용수철 저울로 당겨보았더니 첫번째 실험과 같은 5N의 마찰력이 측정되었습니다. 이 실험을 통해 접촉면의 넓이는 마찰력의 크기와는 관계가 없다는 사실을 알 수 있습니다.
▶ 정리
- 무게와 마찰력은 비례한다.
- 접촉면의 상태에 따라 마찰력은 달라진다.
- 접촉면의 넓이는 마찰력과 관계없다.
마찰력은 우리 생활에서 아주 많은 분야에 이용되고 있습니다. 우리가 신는 신발 바닥은 마찰력을 크게하려는 것이고, 자전거 체인이나 기계의 작동 부분에 윤활유를 칠하는 것은 마찰력을 작게하려는 것이죠. 마찰력의 특징과 마찰력에 영향을 주는 요소를 꼭 기억해주세요.
*** 우리, 친하게 지내요
- 달빛과학을 찾아주시는 분들과 친해지고 싶습니다.
- 학습 자료에 대한 질문, 궁금한 점, 건의사항이 있으시다면 댓글, 방명록, 메일을 이용해 주세요.
- dalvitjeju@naver.com (달빛제주 at 네이버)
- 여러분의 관심과 응원이 더욱 좋은 학습 자료를 만드는데 힘이 됩니다.
*** 달빛과학 페이스북 페이지로 놀러오세요
- 달빛과학은 제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있습니다.
- 달빛과학의 새로운 자료들은 발행되자마자 페이스북 페이지에 업로드 됩니다.
- 달빛과학 페이스북 '좋아요'를 클릭하시고 달빛과학의 새로운 자료들을 바로바로 받아보세요!