나무에서 떨어지는 사과의 중력의 법칙

나무에서 떨어지는 사과의 중력의 법칙은 물리학 분야에서 가장 유명한 이야기 중 하나로, 널리 알려진 일화에 따르면 뉴턴은 나무에서 떨어지는 사과를 보고 중력의 법칙을 발견했다고 한다. 일상생활에서 일어나는 여러 가지 일들을 중력과 연관 지어 생각해 보자.

 

 

중력의 법칙

중력의 법칙은 뉴턴의 법칙으로, 뉴턴의 3 법칙 중 하나로 물체의 운동 상태를 결정하는 법칙이다. 이 법칙은 지구상의 물체뿐만 아니라 전 세계 모든 물체에 적용되는 법칙으로 물리학의 기초를 이루는 중요한 개념이다.

 

중력은 질량이 있는 두 물체가 서로 끌어당기는 힘이다. 이 일화는 뉴턴이 중력의 법칙을 발견하는 계기가 되었고, 뉴턴의 중력의 법칙은 현대 물리학의 발전에 큰 역할을 했다. 이러한 뉴턴의 중력의 법칙은 지구의 중력, 태양계의 운동, 행성의 궤도 등 다양한 천문학적 현상을 설명하는 데 사용되어 물리학 분야에서 가장 기본적인 법칙 중 하나로 꼽힌다.

 

뉴턴의 중력 이론은 만유인력의 법칙(universal law of gravity)이라고도 한다. 만유인력은 질량만 있으면 어떤 물체든 모든 물체에 보편적으로 이 힘이 작용한다는 뜻이다.

 

만유인력이란 표현은 본래 중력과 같은 의미이지만, 굳이 중력과 구분하여 사용할 때는 '만유인력'이 '기본적인 상호작용으로서의 중력'을, '중력'이 '거시세계에서 관측되는 힘'을 의미하기도 한다. 천체의 중력은 천체와 그 간섭을 받는 물체 사이의 만유인력과 원심력의 합으로 나타낸다.

 

이는 영국의 물리학자 아이작 뉴턴이 저서 《자연철학의 수학적 원리(프린키피아)》를 집필할 때 사용한 'law of universal gravity(만유인력의 법칙)를 근대 일본 학자들이 한자로 번역한 산물이지만, 오늘날에는 이 만유인력이라는 표현이 학습자 학습자에게 혼란을 주기 쉽고 직관적이지 않다는 비판을 받고 있다. 일부에서는 보편적 중력이라고 번역하기도 한다.

 

중력

중력은 지구상의 모든 물체 사이에 작용하는 힘이다. 이 중 특히 우리 몸과 관련하여 재미있는 현상이 많이 발생하는데, 예를 들어 높은 곳에서 떨어지는 공처럼 무거운 물체일수록 속도가 빨라지는 등 다양한 물리법칙이 존재한다.

중력은 물체 사이에 작용하는 중력과 지구의 중심 방향으로 끌어당기는 힘이다. 이 두 힘 중 특히 중력은 질량을 가진 모든 물체 사이에 존재하며 서로 잡아당기는 힘이다. 하지만 우리 주변에서는 이러한 중력과 전혀 다른 현상이 일어나고 있다.

 

물 위에 떠 있는 배나 비행기 등이 있다. 과연 어떻게 이렇게 공중에 뜰 수 있는 것일까?

대표적으로 마찰력이라는 힘이 있는데, 마찰력은 운동 상태를 변화시키는 원인이 되는 힘이다. 쉽게 말해 바닥과의 접촉면에서의 저항력이라고 생각하시면 된다. 그래서 자동차 바퀴와 같은 경우 회전하면서 발생하는 마찰력 덕분에 굴러갈 수 있고, 스케이트 날과 같은 경우 얼음판과의 마찰력 덕분에 미끄러지지 않고 달릴 수 있게 된다.

 

사람은 왜 걸을 수 있는 것일까?

사람의 몸속에는 뼈라는 단단한 구조물이 있어 땅과의 마찰력을 줄여주기 때문에 걸을 수 있다고 한다. 만약 이것이 없었다면 무릎 관절 부위가 닳아 없어져 관절염이 생길 수도 있을 것이다. 또한 발바닥에 있는 아킬레스건이라는 힘줄이 충격을 흡수해 걷는 데 도움을 준다고 한다.

 

나는 왜 항상 같은 곳에만 떨어질까?

모든 물체는 지구의 중심 방향으로 끌어당기는 힘인 중력을 가지고 있다. 그래서 우리 몸에도 중력중심이라는 것이 존재하는데, 체중이 많은 사람일수록 중력중심이 아래쪽에 위치하게 된다. 만약 무거운 물건을 들고 있다면 자연스럽게 허리를 굽히게 된다.

이처럼 모든 물체는 자신의 무게 중심점을 향해 떨어지려는 성질을 가지고 있다.

 

나는 왜 항상 같은 곳으로만 떨어지는 것일까?

그것은 내가 땅에 붙어 있기 때문이다. 땅에 딱 달라붙어 있으면 아무리 떨어져도 계속 떨어질 수밖에 없다. 결국 내가 움직인 만큼만 움직이게 되는 것이다.

 

도대체 중력이란 무엇일까?

우리가 살고 있는 우주 공간에서는 태양계 행성을 비롯한 수많은 천체들이 서로 끌어당기고 있다. 이를 중력이라고 하는데, 쉽게 말해 질량을 가진 두 물체 사이에 작용하는 인력이다.

예를 들어, 달 표면 위에 서 있는 사람에게 주변의 공기나 물 등 다른 물질이 없고 오로지 돌멩이만 있다고 가정했을 때, 돌멩이가 움직일 때 발생하는 마찰력 외에는 어떤 힘도 받지 않는다면 어떻게 될까? 돌멩이가 움직일 때마다 받는 힘은 모두 같기 때문에 영원히 그 자리에만 머물러 있을 것이다. 즉, 우주의 모든 물체는 각각 고유한 크기만큼의 중력을 받고 있으며, 이를 벗어나면 운동 상태가 변하게 된다.

 

지구에서의 생활과 달리 우주 공간에서는 자유롭게 날아다닐 수 있을까?

우주비행사들은 무중력 상태에서도 일상생활과 마찬가지로 편안하게 생활하고 있다고 한다. 물론 처음에는 적응하는 기간이 필요하지만, 시간이 지날수록 점차 익숙해진다고 한다.

실제로 미국항공우주국(NASA) 소속 우주비행사 앨런 셰퍼드 박사는 무중력 상태에서는 숨쉬는 것조차 힘들었지만, 2년 후에는 혼자서도 샤워를 하거나 옷을 갈아입는 등 불편함 없이 생활할 수 있었다고 한다. 하지만 비행사가 장시간 무중력 상태에 노출되면 몸의 균형 감각이 떨어지고 근육이 약해지는 등 건강에 이상이 생길 수 있어 주의가 필요하다고 한다.

 

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