물리야 놀자! {재미로 읽다가 100점 맞는 색다른 물리학} , 물리학의 기초 속도와 좌표

물리야 놀자! {재미로 읽다가 100점 맞는 색다른 물리학}

/ 물리학의 기초, 속도와 좌표

 

여러분, 물리학 하면 어떤 생각이 드시나요? 🙂

대부분의 사람들은 아마도 물리학은 어려운 분야라고 생각하실텐데요.

저도 물리학 하면 우선 드는 생각이 ‘따분하다. 어렵다. 지루하다.’입니다.

그런데, 사실 물리학에 나오는 다양한 이론과 사례들은 우리들의 생활속에서 쉽게 접할 수 있는 것들입니다. 물리학을 한자로 표시하면 {物理學} 이라고 씁니다. 즉, 물질의 물리적 성질과 그것이 나타내는 모든 현상 그리고 그들 사이의 관계나 법칙을 연구하는 학문입니다. 저는 이를 더 쉽게 표현하자면 ‘사물의 이치를 다루는 학문’ 이라고 말하고 싶네요.

 

재미로 읽다가 100점 맞는 색다른 물리학 / 천아이펑 지음 / 미디어숲

 

요즘 책을 한 권 보고 있습니다.

책 제목은 ‘재미로 읽다가 100점 맞는 색다른 물리학(미디어숲)’ 이라는 책입니다.

학창시절 교과서에서 배웠던 물리학은 어렵고 따분하기만 했었는데,

40대 초반이 되고보니 어린시절 어렵기만 했던 수학, 물리학 등의 기초과학 학문이 흥미롭고 재미있습니다.

 

이 책은 총2권으로 이루어져 있어요. 저는 우선 상편을 읽고 있습니다.

책의 구성은 총 4장이며 1장에서는 운동, 2장은 힘과 뉴턴의 운동법칙, 3장은 일, 에너지와 운동량 4장은 열현상에 대한 이야기를 소개합니다.

 

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각 챕터마다 1~3장 분량의 세부 이론을 소개하는데요.

재미있는 이야기와 사례를 예시로 들어 일반인들이 쉽게 이해할 수 있도록 해줍니다.

 

물리학은 물질 운동의 가장 일반적인 규칙과 물질의 기본 구조를 연구하는 학문입니다.

따라서 다른 자연과학 연구의 기초가 되는 학문입니다. 또한 물리학은 수학적으로 이론 구조를 구축하고 실험을 통해서 이론의 정확성을 검증하는 가장 정밀한 자연과학 분야입니다.

 

물리학의 기초는 바로 <물체의 운동 규칙> 이에요.

물체의 운동은 공간, 시간, 기준틀(좌표) 이렇게 세 가지의 범주가 필요합니다. 이 세가지 범주 안에는 다음과 같은 세부적인  요소들을 포함하고 있습니다.

 

{속도, 기준틀(좌표), 물리량 및 배수 표시, 길이 및 측량, 가속도, 자유낙하운동, 단진동, 포물선 운동 등}

 

이 중에서 가장 먼저 배울 것은 바로 속도와 기준틀(좌표)입니다.

 

 

우선 속도와 관련해 재미있는 이야기가 있습니다.

동물들의 회의가 열리는 날. 달팽이는 길에서 친절한 거북이를 만났습니다.

거북이가 말했습니다.

 

“달팽이야~ 내 등에 올라타. 내가 태워줄게~!”

 

달팽이는 거북이의 등에 올라탔습니다. 다시 길을 가는데, 거북이는 날개를 다친 새를 만났습니다. 거북이가 새에게 말했습니다,

 

“새야, 너도 내 등에 올라타. 내가 태워 줄게”

 

그 말에 새도 거북이의 등에 올라탔습니다. 그러자 달팽이가 새에게 속삭였습니다.

 

“중심 잘 잡아. 얘 엄처 빠르거든!” 😁

 

달팽이는 자신의 속도를 기준으로 거북이의 속도를 평가했으니 당연히 ‘엄청 빠르게’ 느꼈겠지만,

참새의 비행 속도를 기준으로 보자면 거북이는 아주 매우 느릴 것입니다.

# 달팽이는 초당 2mm를 이동하고 거북이는 초당 2cm를 이동하며, 참새는 초당 8m를 날아갑니다.

 

 

속도의 크기를 나타내는 단위로는 m/s 외에 km/h 도 많이 씁니다.

m/s와 km/h의 관계식은 1m/s = 3.6/h입니다.

 

흔히 볼 수 있는 운동들의 속도는 다음과 같습니다.

# 사람의 정상 보행 1.2~1.6m/s ⎢ 4~5km/h

# 도로 자전거 경기 5~6m/s ⎢ 18~22km/h

# 매의 급강하 속도 10~12m/s ⎢ 36~44km/h

# 보잉 747 항공기 250m/s ⎢ 900km/h

# 전투기 비행 속도 500~600m/s ⎢ 1800~2200km/h

# 지구 공전 속도 29800m/s ⎢ 107280km/h

 

사람의 일반적인 보행 속도는 5km/h 정도입니다.

이것을 응용하여 골목길의 차량 속도를 5km/h로 제한 한다면, 사람의 보행 속도와 같기 때문에 골목길에서 사고가 발생할 일이 거의 없습니다.

 

재미있는 사실은 지구의 공전 속도가 초당 29800m를 가는 엄청난 속도라는 것이지요.

또한 지구의 자전 속도도 무려 1,675km/h 나 됩니다. 그런데 우리는 일상생활에서 이런 속도감을 전혀 느끼지 못합니다. 어지럽지도 않고요. 왜 그럴까요?

 

속도(운동)의 상대성을 쉽게 이해할 수 있는 이야기

예를 들면 이해가 쉽습니다. 👏

철수가 큰 배를 타고 이동중이라고 합시다.

철수는 배가 이동하고 있다는 것을 느낄 수 없습니다. 그런데 배 밖에 서있는 사람은 배와 철수가 이동하는 것을 볼 수 있습니다. 폐쇄된 등속운동하는 배 안에 있는 사람은 배의 운동을 관찰할 수 없습니다. 우리가 지구의 공전속도를 느끼지 못하는 이유도 바로 이와 같은 이치입니다. 즉, 배에 타고 있는 사람의 배의 운동 상태에 대한 판단이 배 밖에서 관찰하는 사람의 판단과 다릅니다.

 

 

물체의 운동은 상대적이므로 어떤 물체의 운동을 분석할 때는 기준틀(좌표)를 명확히 밝혀야 합니다.

좀 더 쉽게 풀어볼게요. 어떤 물체가 최초의 정지 상태에 있는 곳을 A 기준틀(좌표)로 표시합니다. 여기서 이 물체가 운동한다고 하면 어떤 특정 공간으로 이동을 해야 합니다. 이동하고자 하는 지점 또는 이동한 곳을 B 기준틀(좌표)로 하면 A좌표와 B좌표의 이동과정을 운동했다고 말할 수 있습니다. 재미있는 사실은 동일한 물체의 운동이라도 이 기준틀을 달리해서 관찰하면 각각 다른 결과를 얻게 된다는 것입니다. 일반적으로 가장 많이 쓰이는 기준틀은 지면입니다.

 

이를 ‘운동의 상대성’ 이라고 부르는데, 이를 최초로 주장한 사람은 이탈리아의 수학자이자 물리학자였던 ‘갈릴레오 갈릴레이’ 입니다. 갈릴레이는 코페르니쿠스의 지동설을 지지하기도 했지요. 잘 알려졌듯이 갈릴레이는 지구가 태양 주위를 돈다고 주장했으나 당시 사람들은 이 주장에 동의하지 않았습니다. 이유는 사람들이 지구의 운동 속도를 느끼지 못한다는 것이었어요.

 

하지만 지금은 모두 갈릴레이의 주장이 옳다는 것을 알고 있지요.

그 이유는 앞서 이야기한 등속운동하는 배에 탄 철수의 이야기를 통해서 알 수 있고요.

 

물리학에 대해 평소 어렵고 지루한 학문이라고만 생각했는데,

재미있는 사례와 이야기를 통해 물리학에 대해 공부해보니 재미있습니다. 어려운 수학 공식을 전부 이해할 필요는 없지만 어떤 현상의 원리나 이치를 깨닫고 보니 물리학이 재미있고 세상의 이치를 알게 해주는 고마운 학문이라는 것을 새삼 깨닫게 됩니다. 😉