실생활 사례로 쉽고 재미있게 알아 보는 뉴턴의 세가지 운동법칙

뉴턴의 세 가지 운동법칙에 대해 알아보기 전, 나무 밑에 앉아있던 뉴턴이 떨어지는 사과를 보고 만유인력의 법칙을 발견했다는 이야기를 한번쯤 들어보셨나요? 뉴턴의 사과 나무 이야기는 초등학생부터 성인에 이르기까지 너무나 유명한 일화로 소개되어 있죠. 바로 이 일화 속에 소개된 만유인력과 운동 3법칙은 매우 밀접한 관련이 있답니다.

실제로 뉴턴이 떨어지는 사과에 맞았다면 정말... 더럽게 아팠을 것이다.

불행이도? 사과에 머리를 맞은 뉴턴은 사과와 지구 사이에 작용하는 힘(중력)이 지구와 달, 태양과 지구, 그 외 갖가지 행성들과 같은 여러 천체들 사이에서도 작용할 것이라고 추측했습니다. 하지만 그가 이런 결론을 이끌어낼 수 있었던 배경에는 오늘의 주인공인 그 유명한 운동 제3 법칙이 있었는데요. 오늘은 인간의 모든 과학적 탐구의 근간을 이루는 이 운동 3 법칙에 대해서 하나씩 설명을 해볼까 합니다.

1. 관성의 법칙
2. 가속도의 법칙
3. 작용-반작용의 법칙

1. 관성의 법칙

여러분에게 관성이란 무엇일까요? 우리가 버스를 타고 있는 경우를 생각해보면 우리 주변에서 관성은 그리 어렵지 않게 찾을 수 있습니다. 버스가 시속 50km의 속도로 도로를 달리고 있다고 생각해봅시다. 이 경우 버스를 머릿속에서 지워버리고 탑승객만 떼어놓고 보면, 탑승객은 시속 50km의 속도로 날아가고 있는 것과 같습니다. 그런데 갑자기 버스가 급정거를 해버리면 어떻게 될까요? 버스는 브레이크로 인해 바퀴가 자연스럽게 멈추겠지만, 탑승객의 경우에는 버스라는 객체에 의해 앞으로 날아가고 있는 상태이기 때문에 별도의 브레이크 없이 버스만 멈춤으로써 진행하려는 힘이 주체할 수 없게되고, 몸이 앞으로 기울어 넘어질 뻔하거나, 버스 앞좌석에 머리를 부딪히는 현상이 발생하게 됩니다.

관성이 이렇게 무섭습니다...

이처럼 모든 물체의 운동은 별도의 특별한 작용을 받지만 않는다면 계속 기존의 상태를 유지하려고 하는 성질 즉, 관성을 가지고 있습니다. 따라서 관성의 법칙이 무엇이냐고 묻는다면 이렇게 대답할 수 있는 것이죠.

관성의 법칙이란? : 물체가 자신의 상태를 유지하려는 성질, 즉 운동하는 동안이라면 그 운동을 지속하고, 정지하고 있다면 계속 멈춰있으려는 성향을 띄는 법칙

이 관성의 법칙에 따르면 만약 우리가 우주 공간에서 물건을 집어던지면 방해가 없을 경우 해당 운동을 하고 있는 관성은 없어지지 않고 영원히 쭉 날아가게 됩니다. 대표적으로 별똥별(혜성)이 이 원리를 특히 잘 보여주고, 행성의 공전도 중력과 관성을 합한 결과입니다.

이때 관성은 물체의 질량(무게)에 정비례하는데요. 정지해있는 상태라도 역시 마찬가지입니다. 그렇기 떄문에 산이나 거대한 바위는 대단히 큰 질량을 가지고 있고 이로 인해 발생하는 관성의 힘도 엄청나지기 때문에 우리가 아무리 세게 밀어도 꿈쩍하지 않는 것이죠. 단순히 무거워서가 아니랍니다.

2. 가속도의 법칙

이 법칙을 한마디로 표현하라면 <F=ma>라는 하나의 공식으로 대표할 수 있습니다. 가속도의 법칙은 모든 과학(물리학)의 알파이자 오메가라고 할 수 있습니다. 이 법칙 하나만으로도 현대 과학이 다루는 모든 변화를 설명할 수 있기 때문이죠. 

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

반응형

즉, 물체에 가해지는 힘은 물체의 무게와 물체가 겪는 변화의 곱과 같다는 의미입니다. 이는 물체에 가해지는 힘이 동일할 경우 말하자면 질량이 클수록 가속도는 작고 가속도가 클수록 질량도 작다는 뜻으로 이 또한 한가지 예를 들어 보도록 하겠습니다. 

우리 앞에 수박과 호두가 있습니다. 당연히 수박의 질량은 호두의 질량보다 한참 큽니다. 이 조건에서 수박과 호두에 같은 양의 힘을 가해 밀게 되면 (물체의 변화를 일으키는 요인) 당연히 질량이 작은 호두의 가속도는 수박의 가속도보다 한참 커야만 가속도의 법칙이 완성이 됩니다. 결국 같은 힘이 가해지면 질량이 작은 호두의 가속도가 더 높기 때문에 더 많은 거리를 이동하게 되는 것이죠 (변화의 발생)

빈 카트(질량이 가벼운)를 밀기엔 쉬울 정도의 힘이라도.

가득 찬 카트(질량이 큼)를 밀려면 더 많은 힘이 필요하다는 것!

이것이 가속도 법칙의 거의 전부라고 보셔도 좋습니다. 매우 간단해 보이지만 뉴턴이 지금까지 추앙받는 과학자로 불리게 되는 탁월한 점은 우리가 자연현상에서 너무나 당연하게 인식하고 있던 현상 속에 존재하는 무형의 "힘"이라는 개념을 명확하게 "정의"했다는 것입니다. 뉴턴의 이런 업적 덕분에 우리는 이제 물리적 운동을 수학적으로 정확하게 계산할 수 있게 되었죠. (다르게 말하면 수포자들에게 좌절을 더하는 물리학이 발전하게 된 계기가 되었답니다.)

3. 작용-반작용의 법칙

운동 3법칙의 마지막은 바로 "작용-반작용 법칙"입니다. "손바닥도 마주쳐야 소리가 난다"는 말이 있는 것처럼 모든 작용은 반작용을 수반해야 한다는 것이 이 법칙의 이론으로써 예를 들어 우리가 벽을 주먹으로 때리면 주먹이 아픈 것도 단지 딱딱한 벽에 내 주먹을 꽂아 넣었기 때문이 아니라 내가 벽을 때리는 순간 동시에, 벽도 우리의 주먹을 때린 것이기 때문입니다. 즉, 일방적인 작용이 아니라 서로 쌍방향으로 주고받는다는 것이죠. 그렇기 때문에 권투 선수들 중 일방적인 타격만을 하다가 지쳐버리는 경우를 볼 수 있는데 이 작용-반작용의 법칙에 의하면 역설적이게도 선수들은 자신이 때릴 때마다 맞게 되는 것이고 신체는 서서히 지쳐가게 되는 것입니다. 

그렇기 때문에 격투기 선수들은 기회를 잡았을 때 놓지지 않는다

이처럼 힘의 크기만 따로 놓고 본다면 작용과 반작용의 힘의 크기는 같습니다. 쌔게 때리면 그만큼 쌔게 작용하는 것이죠. 그렇기 때문에 같은 힘의 크기로 작용과 반작용은 방향만 다를 뿐입니다. 다시 말해, 작용의 크기에 방향만 정반대로 해서 마이너스(음수)를 붙이면 반작용의 크기가 되는 것입니다. 아주 심플한 원리가 되는 것이죠.

---

여러분이 위 세 가지 법칙들을 모두 이해하셨다면, 이미 기본적인 물리학의 원리들을 깨우친 것과 같습니다. 실생활 속 사례와 함께 알아보니 별것 아니지 않으셨나요? 복잡하게만 보이는 물리학이지만 우리 삶 속에 공장 시설을 돌릴 수 있는 것도, 하늘에 비행기나 우주선을 띄울 수 있는 것도, 심지어 단순한 가전제품을 사용할 수 있는 것도 전부 이런 계산이 존재하기 때문으로, 어쩌면 우리 실생활에 가장 밀접한 관련이 있는 학문이 아닐까 싶습니다.

다음 시간에 더 쉽고 유익한 과학 이야기로 찾아뵙겠습니다. 감사합니다.

 

<루카스매거진 : 자유로운 작가들이 만드는 독립잡지>
작가 : 철학 고양이
홈페이지 : https://kmong.com/gig/224266
루카스 매거진의 애드센스 수입은 "세상을 위한 한 조각" Apiece의 사회공헌 활동에 사용됩니다.