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관성
일상 생활에서 달리던 육상 선수가 목표 지점에 도달하였어도 수 m를 더 달린다던지, 싸이클 선수가 골인 후에도 한 동안 계속 트랙을 도는 현상은 본인의 의지와 관계없이 생기는 이유는 무엇일까?
정지해 있던 자동차가 급 출발을 할 때나 달리던 자동차가 급정지를 할 때, 커브 길을 돌 때 자동차 안의 사람의 몸은 뒤쪽, 앞쪽, 바깥쪽으로 기울어짐을 느껴보았을 것이다. 또, 디스코라운드라는 놀이 기구를 타고 기구가 매우 빠른 속도로 돌고있을 때, 기구의 가운데 쪽으로 걸어가려고 해도 잘 되지 않는 이유는 또 무엇일까?
그림은 1층에서 출발하여 51층까지 올라가는 승강기 안에서 영수의 체중을 측정하는 장면과 각 순간의 체중을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 승강기가 점점 빨라지면서 상승하고 있을 때에는 체중이 정지 상태에서 잰 값보다 크고 느려지면서 상승할 때에는 작다.
[그림 9-1]
위와 같은 현상들은 우리가 일상 생활을 하는 동안에 쉽게 경험할 수 있는 자연 현상들이지만 그 이유를 한 마디로 단정짓기가 쉽지는 않다.
이러한 현상들은 물체들이 가지는 어떤 공통적 성질 때문이라고 생각하면 어떨까? 또, 그 성질은 무엇이라고 정의할 수 있을까 ?
2. 탐구 목표
관성은 물체의 어떤 성질을 뜻하는지 안다.
【준비물】유리컵, 두꺼운 종이(A4), 추(1㎏), 동전, 나무도막, 망치
3. 탐구 과정
(1) 아래 그림과 같이 유리컵 위에 종이를 올려놓은 다음, 그 위에 동전을 올려놓고 종이를 재빨리 잡아당긴다. 또 서서히 당겨보자. 어떻게 다른가 ?
☞ 종이를 빼는 속력이 빠를 때는 동전이 놓여진 그 위치에서 곧장 유리컵 속으로 떨어지고, 속력이 느릴 때는 동전이 함께 움직인다.
[그림 9-2]
(2) 그림과 같이 망치 자루를 잡고 망치 자루와 망치가 나무도막에 닿도록 하여 번갈아 세게 쳐보자. 두 경우 그 결과는 어떻게 다른가 ? 그 이유는 ?
☞…(생략)
망치와 자루는 나무도막에 닿기 전에 가지고있던 운동을 계속 유지하려 하므로 나무 도막에 닿은 후에도 자루는 정지하지만 망치는 계속 운동하여 망치가 자루에 박힌다. 두 번째 방식으로도 자루의 관성 때문에 망치 끼우기를 할 수 있으나 사람이 드는 힘이 더 커진다. 그것은 자루와 망치의 질량 차이에 의한 관성의 차이 때문이다.
[그림9-3] [그림9-4]
(3) 그림과 같이 실을 사용하여 추를 스탠드에 매달고 아래쪽 실을 서서히 당겨보자. 또 아래쪽 실을 빠르게 당겨보자. 각각의 경우 어느쪽 실이 끊어지는가 ?
☞ 서서히 당길 때는 위 부분이, 갑자기 당길 때는 아랫부분이 먼저 끊어진다.
4. 탐구 정리
(1) 종이를 서서히 당기면 동전도 종이와 함께 끌려오지만, 재 빨리 당기면 동전은 컵 속에 떨어진다. 서서히 당길 때에는 종이와 동전의 마찰로 인하여 동전도 함께 끌려오지만 재빨리 당길 때에는 제 자리에 있으려는 동전의 관성 때문에 동전은 컵 속으로 떨어진다.
(2) 자루와 망치가 나무도막에 충돌할 때 모두 망치가 자루에 더 깊이 박히지만 자루를 나무도막에 충돌시킬 때 약한 힘으로 더 깊이 박을 수 있으며 이 때, 망치가 자루에 깊이 박히는 이유는 자루가 나무도막에 충돌할 때 받는 힘으로 정지하나 망치는 힘을 받지 않아서 하던 운동을 지속하려는 관성 때문에 아래쪽으로 계속 운동하기 때문이다.
(3) 실을 서서히 당기면 그 힘이 위쪽까지 전달되어 위쪽 실이 끊어지지만 재빨리 당기면 추의 관성 때문에 힘이 위쪽 실까지 전해지지 못하여 아래쪽 실이 끊어진다.
5. 연구 과제
(1) 일상생활에서 경험할 수 있는 관성의 예를 들어보자.
① 정지 상태를 유지하려는 예
▶ 버스가 갑자기 출발할 때 승객은 뒤로 넘어진다.
▶ 옷을 흔들면 먼지가 떨어진다.
② 운동 상태를 유지하려는 예
▶ 버스가 갑자기 멈추면 승객은 앞으로 넘어진다.
▶ 자동차를 탈 때 안전벨트를 하지 않으면 위험하다.
(2) 지진계의 구조와 그 원리를 조사해보자.
☞ 지진계에 추를 매달아 고정된 받침대가 진동하여도, 즉 회전 원통이 진동하여도 추 끝에 부착된 펜은 움직이지 않도록 하여 지진이 일어났을 때, 추에 달린 펜은 회전하는 기록 테이프가 움직이는 대로 진동을 기록하게 되어있다.
6. 참고사항
갈릴레이의 사고 실험을 통하여 관성을 추론할 수 있다. 마찰이 없는 곡면에서 물체의 운동은 어떻게 될까 ?
(1) 물체가 빗면을 따라 미끄러져 내려올 때에는 가속된다. 그렇다면 빗면을 올라갈 때에는 어떻게 될까 ?
☞ 감속된다.
(2) 그림의 (가)와 같이 마찰이 없는 두 개의 곡면이 마주보고 있다. 한쪽 곡면에서 물체를 놓으면 물체는 반대쪽의 어느 위치까지 올라가겠는가 ?
[그림 9-6] 갈릴레이 사고실험
☞ 물체를 움직이기 시작한 처음 높이만큼 올라간다.
(3) 그림의 (나)와 같이 한쪽 곡면의 기울기를 작게 하면 물체는 어느 위치까지 올라가겠는가 ?
곡면에서 물체가 미끄러지는 거리를 (가)의 경우와 비교해보자. 만약 마찰이 있다면 어떻게 되겠는가 ?
☞ 처음 높이만큼 올라가므로 더 먼 곳까지 미끄러진다. 마찰이 있다면 그만큼 감속되어 미끄러진 길이가 짧아진다.
(4) 그림의 (다)와 같이 한쪽 곡면을 수평으로 하면 물체는 어느 위치까지 가겠는가 ?
☞ 곡면이 계속되는 한 무한히 미끄러진다.
(5) 참고문헌
? 조지페리츠(김현근역)
?「물리의 나라」, 소학사, 1990.
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