관성력

1 관성력(inertial force-慣性力)이란?

물리학으로만 배우면 도대체 무슨 말인가 싶지만 알고나면 정말 신기하구나 싶은 발견이 관성력이다. 물리학적으로 설명하면 이렇다.

운동하는 물체가 외부의 힘에 의해 운동이 저지됐을 때 처음의 운동 상태를 계속 유지하려는 힘이 있는데 이게 관성력이다.쉽게 말하면 운동하려는 물체는 계속 운동하려고 하고 멈추려고 하는 물체는 계속 멈추려고 한다. 그런데 물리학에선 이 힘이 실제 존재하지 않는 가상의 힘이라고 부른다.

도대체 무슨 말일까? 존재하지 않는 가상의 힘이란 것이 진짜 있기나 하단 말인가.

좀 더 물리학적으로 보충하자면 관성력은 외부의 힘을 받지 않음에도 운동하는 물체는 힘을 받는 것처럼 움직이고, 그 힘은 가속도로 인해 발생하며 가속도가 커지면 관성력이 커지고 가속도가 낮아지면 관성력이 작아진다고 한다.

그렇다면 이 힘의 정체는 뭘까? 한번 알아보자.

2 관성의 발견

최초로 관성에 대한 아이디어를 생각해 낸 것은 갈릴레이이다.뉴턴이 이를 정리해서 뉴턴의 제1 운동법칙으로 만들었다. 갈릴레이가 발견을 했는데 엉뚱하게 뉴턴이 자기가 발견한 것처럼 이론화 했으니 갈릴레이로는 좀 억울할 법도 하다. 하지만 학문적으로 이를 체계화한 건 뉴턴이고 뉴턴은 이를 더 발전시켜 중력의 법칙까지 만들었다. 물리학 책에는 뉴턴의 제1의 운동법칙으로 올라가 있다.

2.1 아리스토텔레스의 관성 개념

처음으로 일정한 속력을 유지하는 운동에 대한 개념을 만든 것이 아리스토텔레스이다.

하늘에서는 별들이 지구 주위를 천천히 돌고 있다. 거대한 공 속의 빛나는 점들같이. 지구에서는 배들이나 마차들이 오랜 시간동안 거의 일정한 속력을 유지한다. 따라서 그 근칙은 실제적으로도 흥미의 대상이 되었다. 아리스토텔레스는 이런 종류의 운동을 추진력과 저항 사이의 경쟁으로 보았다. 결과적으로 속력은 이 둘 사이의 비에 의하여 결정된다고 추측하였다. 노 젖는 사람과 닻의 수를 늘려서 노력을 두 배로 하면 배는 두 배는 빨리 움직일 것이다.

2.2 갈릴레이의 사고실험

갈릴레이는 사고실험을 통해 관성에 대해 알아냈다. 처음부터 경사면 실험을 했던 것이 아니라 처음엔 스키 점프대를 사용하여 공을 경사면에 굴린 후 굴러간 길이를 재는 포물체 운동 실험을 했다. 스키 점프대의 밑을 수평으로 꺽어지게 만들었고 그 높이를 올리고 내릴 수 있도록 한 후.경사면에서 공을 굴렸다. 이 실험을 통해 갈릴레이는 공이 직각으로 떨어지거나 사선으로 떨어지지 않고 포물선으로 떨어진다는 것을 알게 됐다. 즉, 대포를 쏘려면 직선 방향으로 쏘아야 하는 것이 아니라 하늘을 향해 쏘아야 포탄이 포물선을 그리며 원하는 지표면에 도착한다.. 지금은 아주 상식적인 이야기지만 당시만해도 꽤 중요한 발견이었다. 수평거리가 비행시간의 척도라는 것을 알게 됐다.

포물체 실험 후 갈릴레이는 사고실험을 했다. 마찰력이 없는 빗면에 공을 굴리고 반대편의 경사면의 각도를 조절하며 거리를 측정했다.
이 실험을 통해 갈릴레이가 알아낸 것을 알아보자.

출처:과학동아 [1]

출처: [2]

1. 공은 내려갈 때 속도는 증가하고 올라갈 때 속도가 준다.
2. 올라갈 때의 각도가 완만하면 공은 내려갈 때의 공높이까지 온다.
3. 마찰력이 없다면 공은 일정한 방향으로 멈추지 않고 계속 간다.

 물리학의 문외한이라면 갈릴레이의 사고실험이 왜 중요한지 이해가 안 갈 것이다. 
하지만 이것을 우주의 법칙과 연계해서 생각하면 획기적인 발견이라는 것을 알게 된다.
우주공간에선 저항이 없으므로 어떤 물체든 힘을 가하면 직진운동(등속운동)을 하게 된다. 
그것이 바로 갈릴레이가 발견한 관성이다. 
그런데 왜 우주공간에서 위성은 직진운동을 함에도 둥글게 돌아 제자리로 돌아올까? 중력이 작용하기 때문이다. 
즉, 지구에서 대포를 쏘아 포탄이 포물선으로 떨어지는 건 중력 때문이고 이는 지구상의 모든 운동체를 직진운동이 아니라 
포물선 운동을 하게 만든다.
같은 예로: 위성은 직진 운동을 하는데 중력에 의해 떨어지면서 한바퀴 돌게 된다. 
또한 지구를 공전하는 달은 직진운동을 하려 하지만 지구의 중력에 의해 궤도를 돌아 처음 위치한 방향으로 오게 된다. 

• • • 달은 44억 년 간 지구를 돌았다. 도대체 그 에너지가 어디서 나왔을까. 지구적 관점으로 생각해 보자. 지구 대기권 안에서 날아다니는 비행기라면 엄청난 에너지를 주입해야 했을 것이다. 하지만 저항력이 없는 우주라면 어떨까? 예를 들어 내가 지구 밖 우주에서 공을 던진다면 그 공은 저항을 받지 않는 한 44억 년 간 우주를 날아갈 수 있다. 그러므로 가상의 힘인 것이다. 내가 던져서 44억 년 간 날아가는 공은 처음 던졌을 때의 그 힘 외엔 존재하지 않기 때문이다.

2.3 뉴턴의 관성의 법칙

뉴턴의 제1의 법칙(뉴턴의 운동법칙)이 관성력 법칙이다.

뉴턴은 갈릴레이의 사고실험을 정리해서 뉴턴의 운동 제 1 법칙을 만들었다. 알짜힘이 0일 때 현재의 상태를 그 상태 그대로 유지하려는 성질이다. 질량에 비례하여 관성력이 작용한다. 관성력은 힘의 방향과 반대방향으로 작용하는 대상의 무게 mg만큼 발생한다.

운동하는 물체는 계속 등속직선운동을 하려 하고 정지한 물체는 계속 정지하려 한다.

<예>
1. 버스가 출발할 때 승객의 몸은 뒤로 쏠리고 버스가 멈춰서면 앞으로 쏠린다.
2. 기차에서 공을 떨어뜨려도 수직으로 떨어진다.(공도 기차와 함께 운동하고 있기 때문이다.)
3. 엘리베이터가 내려갈 때 몸무게가 감소한다(우리는 느끼지 못하지만 살짝 떠있는 것이다.)

3 관성력과 무중력

우주에서 무중력은 존재하지 않는다. 중력은 모든 우주에 미치는 힘이다. 그렇다면 지구 밖의 우주비행사는 왜 떠있는 걸까? 그것은 관성력과 중력이 평형을 이루기 때문이며 우주비행사는 중력이 없는 상태(무중력)으로 느낀다. 무중력은 실제로 중력이 없는 상태가 아니라 관성력과 중력이 평형을 이룬 상태이다. 우주정거장은 중력과 수직 방향으로 돌기 때문에 원심력을 받는다. 이 원심력이 관성력이다.

출처[3]

=등가원리출력