[강신종 쌤의 '재미있는 과학이야기'(14)] 시스템

우리는 변화와 균형을 유지하는 시스템 속에 살죠
중력·만유인력 등 기본적인 역학을 알아야 해요

◆ 이 글은 고등학교 1학년 학생들이 배우는 통합과학 중심으로 구성됐으며 이번 호는 핵심 개념인
‘역학적 시스템’을 중심으로 역학적 시스템의 지속성을 유지하기 위해 중력이 중요한 역할을 하고
있다는 점을 설명하려고 합니다.

“봄이 됐다는 것을 어찌 알고 꽃들은 피고, 물체를 위로 던지면 위로 올라가다 왜 밑으로 떨어지는 것일까?” 설명이 가능한 우리 주변의 과학 현상이지만 접할 때마다 늘 경이로움을 느낀다. 인간은 커다란 시스템의 한 부분이라는 것도 생각하게 된다. ‘일정한 질서에 따라 끊임없이 변화하면서도 각 구성 요소가 일정한 규칙에 따라 상호 작용하면서 균형을 유지하는 집합’을 통합과학에서 시스템이라고 한다.

경이로운 현상들

뉴턴

중력(Gravity)은 태어나서 삶을 마감할 때까지 지속적으로 우리에게 가해지는 기본적인 힘이다. 하늘을 향해 던진 공은 일정한 높이까지 올라갔다가 다시 바닥으로 떨어지고, 폭포는 높은 곳의 물이 아래 방향을 향해 떨어진다. 힘의 작용을 받는 물체의 운동과 운동 상태의 변화, 정지 등과 관련한 물리적 현상을 역학(力學)이라 한다.

중력의 영향을 받는 물체의 운동으로 자유낙하(自由落下)운동 등이 있다. 자유낙하운동은 초기 속도(v)가 0인 물체가 중력의 영향을 받아 지면을 향해 떨어지는 운동이다. 자유낙하운동하는 물체가 지표면에 도달할수록 물체를 잡아당기는 만유인력(萬有引力)은 두 물체 사이의 거리 제곱에 반비례하므로 증가한다.

갈릴레이

갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)의 지동설을 확립하기 위해 ‘프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 2대 세계 체계에 관한 대화’를 저술했다. 그는 이로 인해 1633년 종교재판소에서 이단 판정을 받았다. 하지만 그는 재판장을 나오면서 “그래도 지구는 돈다”라는 유명한 말을 남겼다고 한다. 이처럼 갈릴레이는 지동설을 확고하게 믿고 있던 천문학자이기도 하다.

갈릴레이의 논리적 증명

고대 그리스의 아리스토텔레스(Aristoteles)는 지표면을 향해 떨어지는 물체는 질량의 영향을 받아 무거운 물체가 가벼운 물체보다 먼저 땅에 떨어진다고 했으며, 이 개념은 약 2000년이 지난 후 갈릴레이에 의해 정지 상태에서 물체가 낙하하면 가벼운 물체와 무거운 물체는 질량의 크기에 상관없이 똑같이 바닥에 떨어진다는 사실을 사고(思考) 실험을 통해 논리적으로 증명했다.

한쪽으로 비스듬하게 기울어진 탑을 사탑(斜塔)이라 하는데 세계적으로 가장 유명한 사탑은 이탈리아의 피사의 사탑(斜塔)이다. 갈릴레이가 피사의 사탑에서 낙하 실험을 했는지는 정확하지 않지만 갈릴레이의 사고(思考) 실험 이후로 피사의 사탑(斜塔)에서 실제 낙하 실험을 했고 이를 통해 ‘가벼운 물체와 무거운 물체는 동시에 바닥에 떨어진다’는 가설이 옳다는 것이 증명됐다.

나무에서 떨어지는 사과와 뉴턴(Isaac Newton)은 만유인력의 법칙을 연결해 자주 얘기한다. 하지만 사과 이야기를 확인하기는 어렵다. 아무튼 뉴턴은 “만유인력은 두 물체의 질량의 곱에 비례하고 물체 거리의 제곱에 반비례한다”는 관계를 수학적인 크기로 설명했다.

중력을 만유인력으로 해석하는 경우도 있다. 하지만 중력을 사전에서 찾아보면 ‘지구 위의 모든 물체가 지구 중심을 향해 받는 힘이며, 중력은 지구와 물체 사이의 만유인력과 지구의 자전에 따른 물체의 구심력을 합한 힘이다’라고 돼 있다. 즉 중력은 만유인력과 구심력의 합력이다. 눈에 보이지 않는 힘을 수학적 크기로 나타낼 수 있다는 것은 실로 위대한 업적이다.

시스템을 유지하는 중력

중력이 작용하는 지구와 달리 무중력 상태에서는 지구 중심으로 당기는 힘이 없는 상태다. 중력은 우리가 늘 받는 힘이지만 무중력 상태는 영화를 통해 간접 경험할 수 있다. 우주 정거장에 머무는 우주인들의 생활과 폭파된 인공위성의 잔해와 부딪치는 사고로 인해 어렵게 지구로 귀환하는 과정을 그린 영화 ‘Gravity(2013년)’는 우주에서 경험할 수 있는 무중력 상황을 잘 묘사한 영화로 꼽을 수 있다.

일정한 질서에 따라 끊임없이 변화하면서도 각 구성 요소가 일정한 규칙에 따라 상호 작용하면서 균형을 유지하는 집합을 시스템이라고 하면 상호 작용에 힘이 필수적인 역할을 한다면 이를 역학적 시스템이라 한다.

중력은 역학적 시스템의 지속성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 한다.

강신종 < 용화여고 교사 >