[중학교 1학년/ 과학1] 마찰력과 부력/ 핵심정리/ 요약

마찰력

책상 위에 놓인 책을 앞으로 살짝 밀면 조금 움직이다가 멈춘다. 이것은 책과 책상 사이에 책이 움직이는 것을 방해하는 힘이 작용하기 때문이다. 이와 같이 물체가 어떤 면과 접촉하여 운동할 때, 두 물체의 접촉면 사이에서 물체의 운동을 방해하는 힘을 마찰력이라고 한다.

 

책상 위의 책

마찰력의 크기

빗면 실험에서 바닥의 재질이 거칠수록 미끄러져 내려가기 시작하는 빗면의 기울기가 큰 것을 확인할 수 있었다. 이것은 표면이 거칠수록 마찰력이 크기 때문이다. 눈 위에서 썰매를 탈 때는 잘 미끄러지지만, 흙에서는 잘 미끄러지지 않는 것도 흙의 표면이 눈의 표면보다 거칠어서 마찰력이 크기 때문이다. 빈 수레는 작은 힘으로도 쉽게 움직일 수 있지만, 짐을 가득 실은 수레는 큰 힘을 작용해야 움직일 수 있다. 이것은 짐을 많이 실으면 수레가 무거워져 마찰력이 커지기 때문이다. 이와 같이 마찰력의 크기는 표면이 거칠수록, 물체가 무거울수록 크다.

 

운동을 방해하는 마찰력

마찰력의 방향

운동장에서 공을 굴리면 공이 굴러가다가 얼마 뒤에 멈추고, 자전거를 타고 가다가 페달을 밟지 않으면 자전거가 어느 정도 이동한 후에 정지한다. 이것은 물체가 움직이는 방향과 반대 방향으로 마찰력이 작용하기 때문이다. 이와 같이 마찰력은 물체가 운동하거나 운동하려고 하는 방향과 반대 방향으로 작용한다.

 

빗면에서의 마찰력

 

마찰력의 이용

마찰력은 운동을 방해하는 힘이기 때문에 물체를 계속 움직이게 하려면 마찰력을 줄여야 한다. 바퀴에 베어링을 사용하면 마찰력을 줄일 수 있으며, 기계끼리 닿아 움직이는 부분에 윤활유를 칠하면 마찰력이 줄어든다. 자기 부상 열차는 공중에 뜬 상태에서 달리기 때문에 레일과 바퀴 사이에 마찰력이 작용하지 않는다. 마찰력을 크게 해야 할 때도 있다. 미끄러운 얼음판 위에서 자꾸 미끄러지는 것처럼, 마찰력이 없다면 우리는 걸어갈 수가 없게 된다. 겨울철에 도로에 눈이 쌓이면 마찰력이 작아서 자동차들이 미끄러지기 쉬우므로 도로에 모래를 뿌려 마찰력을 크게 한다. 또, 축구나 농구와 같이 운동 방향을 빠르게 바꾸어야 하는 운동 경기를 할 때도 마찰력이 큰 신발을 신으며, 눈길을 달리는 자동차 바퀴에도 체인을 감아 마찰력을 크게 한다.

 

마찰력의 이용

 

부력

물속에 들어가면 몸이 가벼워지는 것을 느낄 수 있다. 이것은 몸이 물속에 들어가면 위로 떠받치는 힘을 받기 때문이다. 이와 같이 물과 같은 액체가 그 속에 들어 있는 물체를 위쪽으로 밀어 올리는 힘을 부력이라고 한다. 탁구공을 물속에 밀어 넣었다가 놓으면 탁구공이 물 위로 떠오른다. 또, 수영장에서 물속에 들어가면 몸이 가벼워지면서 떠오른다. 이것은 부력이 중력과 반대 방향인 위쪽으로 작용하기 때문이다. 음료수 속에 얼음을 넣을 때 바닥에 가라앉지 않고 떠 있는 것도 얼음 조각이 물로부터 위쪽 방향의 부력을 받기 때문이다. 부력은 액체 속에서만 작용하는 것이 아니라 공기와 같은 기체 속에서도 작용한다. 헬륨을 채운 풍선이 하늘로 올라가는 것은 공기의 부력이 위쪽으로 작용하여 풍선을 밀어 올리기 때문이다.

 

떠오르게 하는 부력

 

부력의 이용

물이나 공기 중에 있는 물체에는 언제나 부력이 작용하기 때문에 우리는 일상생활에서 다양하게 부력을 이용할 수 있다. 비행선은 공기의 부력을 받아 위로 떠오른다. 비행선에는 공기보다 가벼운 헬륨기체를 채운다. 화물을 가득 실은 무거운 화물선은 물의 부력을 받아 바다에 뜬다. 화물을 실은 양에 따라 화물선 아래쪽에 칠해진 빨간색이 드러나는 정도가 달라진다. 잠수부가 잠수할 때 납 벨트를 허리에 차는 것은 물이 작용하는 부력을 이기고 가라앉기 위한 것이다. 잠수를 편안하게 하려면 물에 뜨지도 가라앉지도 않아야 하는데, 납 벨트를 착용하여 이러한 상태를 유지한다. 사람은 튜브 없이도 물에 뜨지만, 튜브를 이용하면 더 쉽게 물에 뜰 수 있다.

 

부력의 크기 측정

 

부력의 크기

같은 무게의 고무찰흙을 동그랗게 뭉칠 때와 배 모양으로 만들 때 각각에 작용하는 부력의 크기는 어떻게 달라질까? 물체가 받는 부력의 크기는 무엇과 관계가 있을까? 물체를 물속으로 조금씩 넣으면서 무게를 재어 보면, 물속에 잠긴 물체의 부피가 클수록 더 가벼워지는 것을 알 수 있다. 이때 물체에 작용하는 부력의 크기는 가벼워진 물체의 무게와 같으며, 물에 잠긴 물체의 부피가 클수록 부력도 커진다. 즉, 부력은 물체의 종류와 관계없이 물체가 잠긴 부피에 따라 달라진다. 같은 무게의 쇳덩어리를 그냥 물에 넣으면 가라앉지만 배 모양으로 만들어 물에 잠긴 부피를 크게 하면 물 위에 뜬다. 이것은 쇳덩어리에 작용하는 중력의 크기는 변함이 없지만, 물에 잠기는 부피를 크게 하여 부력이 커졌기 때문이다. 구명조끼를 입으면 물속에서 더 쉽게 뜨는 것도 구명조끼가 물에 잠긴 부피만큼 부력이 커지기 때문이다.

 

부력 확인 문제