관성(운동 상태를 그대로 유지하려고 해)

정지한 물체는 정지해 있으려고 하고, 움직이는 물체는 계속 움직이려고 하는 성질.

목차

1. 갈릴레이의 운동관 - 나를 멈추게 하는 건 마찰뿐!
2. 뉴턴의 관성 - 날 앞으로 쏠리게 한 넌 누구?

굼뜨고 게으른 성질을 지닌 관성
“싫어 싫어. 난 가만히 있을래. 움직이려면 힘들잖아.”라고 가만히 있던 파란공이 말했어. 이번에는 굴러가고 있던 빨간공이 말했어. “난 계속 그냥 갈래. 멈추기 귀찮아.” 두 공의 공통점은 힘든 걸 싫어하고, 자기 상태를 계속 유지하고 싶어한다는 거야. 운동에서 이러한 성질을 관성¹⁾이라고 해.

갈릴레이의 운동관 - 나를 멈추게 하는 건 마찰뿐!

교과단원 5학년 2학기 3. 물체의 속력|중학교 1학년 힘과 운동

물체를 계속 운동하게 하려면 힘이 꼭 필요할까?
옛날 그리스의 아리스토텔레스는 물체가 운동을 하려면 외부 힘이 꼭 필요하다고 생각했어. 힘이 작용하지 않는다면 물체는 멈추어 있어야 하고, 물체의 본래 상태는 멈추어 있는 상태라고 여겼지. 하지만 이 생각을 뒤집어 놓은 사람이 나타났어. 갈릴레이²⁾는 ‘물체의 운동 상태를 유지하려면 힘이 필요하다’는 그동안의 생각을 뒤엎고 다음의 실험을 보여 주면서 새로운 주장을 펼쳤어.

갈릴레이는 공이 경사면을 굴러 내려갈 때는 속력이 빨라지고, 굴러 올라갈 때는 반대로 속력이 느려진다는 것을 발견했어. 그런데 여기서 그치지 않고, ‘평평한 수평면을 구르는 공의 모습은 어떨까?’하고 궁금해했지. 경사가 없으니까 속력은 거의 일정할 것이고, 그렇다면 ‘공은 끝없이 굴러가야 하는 게 아닐까?’라고 생각했어. 그래서 다음과 같은 실험도 생각했어.

하지만 실제로는 공이 끝없이 굴러가는 것을 볼 수 없는데, 그 이유는 공이 굴러가는 바닥에 방해하는 것들이 늘 있기 때문이야. 이렇게 움직임을 방해하는 것을 마찰(이때의 힘을 마찰력³⁾이라고 한다.)이라고 해. 그래서 갈릴레이는 ‘물체의 운동 상태를 유지하기 위해 힘이 필요한 경우는 마찰이 있을 때 뿐이다.’라는 주장을 했어.

뉴턴의 관성 - 날 앞으로 쏠리게 한 넌 누구?

교과단원 5학년 2학기 3. 물체의 속력|중학교 1학년 힘과 운동

갈릴레이의 새로운 주장을 당시 사람들은 받아들이지 않았어. 하지만 뉴턴⁴⁾은 갈릴레이를 존경했고 그의 생각을 정리해서 발표했는데, 이것이 ‘관성의 법칙’이야.

자동차가 갑자기 멈추면 앞으로 쏠리는 이유는?
‘멈춰 있는 물체는 계속 멈춰 있으려 하고, 움직이는 물체는 계속 움직이려고 한다’는 것이 뉴턴이 말한 관성이야. 달리던 자동차가 갑자기 멈추면, 자동차에 타고 있던 사람은 계속 앞으로 가려고 하기 때문에 몸이 앞으로 쏠리게 돼. 반대로 멈춰 있던 자동차가 갑자기 출발하면, 타고 있던 사람은 계속 멈춰 있으려 하니까 몸이 뒤로 쏠리는 거야.

관성멈춰 있는 물체는 계속 멈춰있으려 하고, 움직이는 물체는 계속 움직이려고 한다.

동전이 컵 속에 떨어지는 것도 관성 때문이다.

관성이 정말 있는지 간단한 놀이로 확인해 볼까?
컵 위에 카드 한 장을 올려 놓고 카드 위에 동전을 3개 쌓아 봐. 그리고 카드를 재빨리 빼는 거야. 동전은 어떻게 될까? 정지해 있던 동전은 계속해서 정지해 있으려는 관성 때문에 처음 위치에 계속 있으려 해. 이때 동전을 받치고 있던 카드가 빠져 나가면, 동전은 컵 속으로 ‘쨍그랑’하고 들어가겠지!

관성의 크기는 물체의 질량과 관계가 있다.

관성도 크기가 있어?
옛날 사람들은 물체를 그대로 두면 저절로 멈춘다고 생각했지만, 움직이던 물체를 멈추거나 멈춰 있던 물체를 움직이게 하려면 힘이 필요해. 이때 힘의 크기는 무엇과 관련이 있을까? 바닥에 놓여 있는 비치볼과 볼링공 중 어떤 것이 더 움직이기 쉬울까? 가벼운 비치볼을 움직이게 하는 것이 더 쉬울 거야. 이렇게 관성의 크기는 가볍거나 무겁다라고 표현되는 물체의 질량과 관계가 있어.

읽을 거리 스케이트가 잘 달리려면?

인라인 스케이트를 타고 잔디밭이나 운동장을 달려 본 적 있어? 그럼, 아스팔트나 얼음판 위를 달려본 적은? 잔디밭은 걷기에는 알맞지만, 스케이트를 신고 씽씽 달리기엔 좀 어려울 거야. 잔디밭보다 좀 나은 곳이 운동장일 테고, 아스팔트 위에서는 더 잘 달릴 수 있을 거야. 얼음판 위라면 너무 미끄러워서 넘어지기 쉽지. 인라인 스케이트의 바퀴가 잘 굴러가려면 바닥면의 마찰이 작아야 해. 잔디밭처럼 바닥이 울퉁불퉁하고 거칠수록 마찰력은 커지고, 얼음판처럼 매끄러울수록 마찰력은 줄어들어.

각주

1. 1) 관성 물체는 자신의 운동 상태를 유지하려고 한다. 정지한 물체는 계속 정지해 있으려 하고, 운동하는 물체는 계속 움직이려고 하는 성질을 말한다.

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관성[ inertia , 慣性 ]

물체에 가해지는 외부힘의 합력이 0일 때 자신의 운동상태를 지속하는 성질. 질량이 클수록 관성도 크다. 타성(惰性)이라고도 한다.

관성

모든 물체는 자신의 운동상태를 그대로 유지하려는 성질이 있다. 정지한 물체는 계속 정지해 있으려 하고, 운동하는 물체는 원래의 속력과 방향을 그대로 유지하려 한다. 그러므로 정지한 책상을 옆으로 밀 때, 날아오는 야구공을 잡아서 멈출 때 또는 굴러오는 축구공의 방향을 바꿀 때, 우리는 물체에 힘을 가해야만 한다. 아무런 힘을 가하지 않으면 물체는 정지해 있거나 등속 직선운동을 한다. 힘을 가하면 관성이 깨지고 속력이나 운동방향이 변한다. 관성의 크기는 질량에 비례한다. 즉 질량이 클수록 관성이 크다.



관성의 발견
중세시대에는 모든 물체가 정지상태가 되는 것이 자연스럽다고 생각했다. 이탈리아의 G.갈릴레이가 사고실험을 통해 처음으로 관성의 개념을 떠올린다. 이후 뉴턴은 이 생각을 토대로 관성의 개념을 완성하고, 운동의 제1법칙으로 정리한다. 이에 따르면 물체의 운동상태를 바꾸려면 힘이 필요하고 그 힘은 질량에 비례한다. 즉 질량은 관성의 크기에 따라 결정할 수 있고 이것을 관성질량이라 한다.

생활 속의 관성
버스가 출발하면 발과 버스바닥 사이의 마찰력 때문에 하체는 버스와 함께 움직이기 시작한다. 그러나 상체는 관성에 의해 원래의 자리에 있기 때문에 몸이 뒤로 쏠린다. 반대로 버스가 멈추면 하체는 힘을 받아 멈추지만 상체는 계속 앞으로 가기 때문에 앞으로 쏠린다. 즉 버스 안에서 보면 마치 승객들을 앞이나 뒤로 잡아당기는 힘이 있는 것처럼 보인다. 이것을 관성력이라 하는데 실제로 존재하는 힘이 아니라 그렇게 보이는 것뿐이다.
이번에는 젖은 수건을 앞뒤로 흔들어 털 때를 생각해 보자. 수건과 물방울이 같은 방향으로 움직이다가 손으로 수건을 반대방향으로 잡아당기면 수건은 힘을 받아서 그 방향으로 움직인다. 하지만 물방울은 관성에 의해 원래 움직이던 방향으로 튕겨나간다.

회전관성
물체가 한 축을 중심으로 회전할 때 외부 힘의 합력이 0이면, 축의 방향이나 각속력이 바뀌지 않는다. 팽이가 매끄러운 표면 위에서 돌고 있을 때 한동안 흔들리지 않는 것을 보면 알 수 있다. 만약 바닥과의 마찰력이 없다면 팽이는 멈추지 않고 계속 회전할 것이다. 이러한 회전관성의 크기는 관성모멘트에 비례한다. 회전에서의 질량에 해당하는 관성모멘트는 회전하는 물체의 질량이 축에 대해서 어떻게 분포하는가에 따라 결정된다. 같은 질량이라도 축에서 멀리 떨어져 있는 쪽이 관성모멘트가 더 크다. 그러므로 길이가 짧은 막대기가 긴 것보다 휘두르거나 멈추기 더 쉽다.

관성물체에 가해지는 외부의 힘이 0일 때 자신의 운동상태를
지속하려는 성질
정지한 물체는 계속 정지, 운동하는 물체는 원래의
속력과 방향을 그대로 유지하려는 성질이 있다.
따라서 물체의 운동상태를 바꾸려면 힘이 필요하고
그 힘은 질량에 비례한다. 출처: N+Studio