오늘도 말로하는 일반 물리학을 시작하려고 합니다. 어떤분이 물어보시더라고요 일차원운동을 잘보셨는데 그래도 일상생활에서 오해가 여전히 풀리지 않는다는 말씀을 하시더라고 그래서 더 질문을 드려보니 결국 운동자체에 대한 오개념(잘못된 상식, 잘못됨 개념)에서 시작한 운동에 대한 이해가 잘못된 예측이나 잘못된 인식을 만들어줌을 알게 되었습니다.
그래서 오늘은 운동이란 주제로 운동자체를 설명해 보도록 하겠습니다.
운동의 본질은 물체가 스스로건 외부 영향을 받건 어떠한 힘을 받아 움직이는것을 말합니다.
그럼 운동장의 축구공을 생각해 볼까요 축구공을 발로 차면 공을 굴러가다가 멈춥니다. 이것을 보거 과거 사람들은 축구공에 더이상 힘이 가해지지 않기때문에 멈춘다라고 생각했습니다.(흔히 힘이 떨어졌다고 생각한것입니다.) 그런데 힘을 가해준 순간은 발로차는 그순간뿐이고 운동하는 사이에는 아무런 힘을 받지 않느다면 왜 힘은 떨어지고 그힘은 어디로 갈까요? 또 미끄러운 바닥에서 더 멀리 공기 가는것을 설명할 수가 없었습니다.
: 힘이 떨어지는건 시간의 문제라면 빙판길에서 천천히 미끄러지지만 계속 미끌어져가는 물체에 대한 설명이 불가능합니다.
: 힘이 떨어지는것이 지나간 경로의 문제라면 운동하는 사이에는 아무런 힘도 받지않는다라는 말에 모순이 생깁니다.
결국 사람들의 이러한 생각은 다음과 같은 결론에 도달했습니다.
1.물체는 외부에서 힘을 받으면 운동상태가 달라진다
2.물체는 외부에서 힘을 받지 않으면 운동상태도 변하지 않는다
이 논리로 축구공의 운동을 생각하면 운동상태가 정지 상태인 축구공이 외부에서 발로차는 힘을 받아 운동상태가 되었다가 공기저항이나 운동장 바닥과의 저항에 의해 속력이 점점 변화하다 처음 발로찬 힘과 동일한 저항을 받으면 결국 멈추는 것이다
이걸쫌더 과학적인 용어로 포장하면 축구공은 외력에 의해 운동하다 공기 및 바닥면과의 마찰력에 의해 속력이 점점 줄어들다, 처음 받은 에너지 같은 마찰력에 의한 저항을 받으면 정지 상태가 됩니다.
제가 살면서 가장 문제가 되는것이 만화와 영화 드라마 같은곳에서 잘못된 연출로 인해 사람들의 오해는 깊어진듯 합니다.
어떤 축구선수가 발로찬 공이 벽에 맞고 엄청난 충격파를 만들면서 벽과 싸우듯 대치하다, 힘이 떨어지면 바닥으로 툭 하고 떨어지는 모습
야구 투수가 던진공이 타자의 배트와 팽팽한 대결을 하다 배트를 뚫고 지나가는 모습
!!! 이런거 없습니다. 공이 벽에 닿으면 공의 모양이 변형되는 아주 짧은시간동안공은 정지상태입니다. 단 이것또한 공의 무게 중심은 여전히 벽쪽으로 이동하고 있습니다. 공의무게중심의 속력이 0 이되는 순간은 공이 벽에 튕겨서 되돌아가기 직전 아주아주 짧은 한순간입니다.
다음으로 그럼 마찰력은 무엇일까요?
어떤물체가 다른물체를 뚫고 지나가거나 스치고 지나간다면 일정한 힘을 받게 되고 이러한 마찰력은 운동방향과 반대 방향입니다.
공이 운동장에서 굴러가는데 운동장이 공의 운동을 도와주는 방향으로 마찰력이 발생한다면 공의 속도가 점점 빨라질것이니까요 그런 경우는 없겠죠
그럼 바닥에 놓여진 물체의 마찰력은 물체의 어떤 특성과 연관이 있을까요?
물체가 바닥면을 누르는 힘이 크다면 마찰력도 크겠죠? → 물체의 무게에 비례합니다.
물체가 있는 바닥의 성질이 매끄럽거나 거칠하거나 하는 상태에 따라 달라지겠죠? → 마찰계수 값으로 정의되는 마찰을 일으키는 정도에 비례합니다. (마찰계수가 낮으면 마찰력이 작고, 마찰계수가 크면 마찰력도 큽니다.)
물체의 면적이 넓으면 마찰력을 많이 받겠죠? → 사실일까요? 한번더 생각해봐야합니다.
무게가 10인 물체 a와 b 가 있습니다. a는 바닥면적이 1이고 b는 바닥면적이 2입니다. 그럼 바닥면적 1당 받는 마찰력이 물체 a는 100이라고 한다고 가정하고 물체 b를 알아볼가요? a는 바닥면적 1에 모든 무게 10이 다있고 b는 바닥면적 1에 무게 5씩 나눠서 있습니다. 그럼 무게가 절반이니 물체 b의 바닥면적 1이 받는 마찰력은 50입니다. 그럼 바닥이 2임으로 전체 마찰력은 100 입니다.
결국은 바닥면적은 중요하지 않습니다. 그저 무게에 영향을 받을뿐입니다.
(단, 나중에 전자간의 전기적 영향에 의한 마찰은 예외사항입니다.)