[중학교 1학년/ 과학1] 중력과 탄성력/ 핵심정리/ 요약

힘

우리는 일상생활에서 “생각하는 힘이 필요해.”, “공부할 게 많아서 너무 힘들어.” 등과 같이 힘이라는 말을 여러 가지 의미로 사용한다. 과학에서는 손으로 책을 들어 올리거나 수레를 밀 때처럼 어떤 물체를 밀거나 당길 때 힘이 작용한다고 한다. 밀가루 반죽을 누르면 모양이 찌그러지고, 원반을 던지면 멀리 날아간다. 또, 정지해 있는 축구공을 발로 차면 축구공이 찌그러지면서 찬 방향으로 움직인다. 이와 같이 물체에 힘이 작용하면 물체의 모양이나 운동 상태가 변한다. 따라서, 물체의 모양이나 운동 상태의 변화를 보면 힘이 작용하는 것을 알 수 있다. 야구공을 약하게 던질 때보다 세게 던질 때 더 빠르게 날아가는데, 이것은 물체에 작용하는 힘의 크기에 따라 힘의 효과가 달라지기 때문이다. 물체에 작용하는 힘의 크기를 나타내는 단위로는 N(뉴턴)을 사용한다.

 

힘을 주고 있는 학생 그림

 

중력

손에 들고 있던 공을 놓으면 아래로 떨어지고, 사과나무에 매달려 있던 사과도 땅으로 떨어진다. 또, 지표면에서 아무리 힘껏 뛰어 올라도 다시 땅으로 떨어지고, 비행기에서 뛰어내린 스카이다이버는 아래로 떨어진다. 이것은 지구가 물체를 당기는 힘이 작용하기 때문인데, 지구와 같은 *천체가 물체를 당기는 힘을 중력이라고 한다. 중력은 지표면에 있는 물체뿐만 아니라 공중에 떠 있는 물체에도 작용한다. 지구에서 멀리 떨어져 있는 달과 지구 사이에도 중력이 작용한다.

지구상의 모든 물체에는 중력이 작용하기 때문에 중력은 우리 생활에 많은 영향을 미친다. 중력에 의해 비가 아래로 떨어지고, 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르면서 식물에 물을 공급한다. 지구에 대기가 존재하는 것도 지구가 공기에 작용하는 중력 때문이다. 또, 하늘에서 유성이 떨어지는 것은 우주를 떠돌던 암석 덩어리가 지구 중력에 의해 끌려 오기 때문이다. 롤러코스터, 번지 점프, 다이빙과 같이 중력을 이용하는 스포츠도 있고, 역도나 높이뛰기와 같이 중력을 거스르는 능력을 겨루는 스포츠도 있다.

 

물체를 끌어당기는 중력

 

중력의 방향

실에 추를 매달아 놓으면 실이 지면에 수직인 방향으로 늘어뜨려진다. 또, 비, 눈, 폭포수, 하늘로 쏘아 올린 폭죽과 같이 지구상의 어느 지점에 있는 물체라도 지구 중심을 향해 떨어진다. 이것은 중력이 지구 중심 방향을 향하기 때문이며, 이 방향은 수평면과 수직을 이룬다.

 

무게와 질량-1

 

무게와 질량

우리는 일상생활에서 물체의 무겁고 가벼운 정도를 측정하기 위해 여러 종류의 저울을 사용한다. 빈 가방은 가볍지만 책이 가득 든 가방은 무겁다. 이것은 빈 가방과 책이 든 가방에 작용하는 중력의 크기가 다르기 때문인데, 책이 든 가방에 작용하는 중력이 빈 가방에 작용하는 중력보다 크다. 지구가 물체에 작용하는 중력의 크기를 무게라고 한다. 무게는 보통 용수철저울로 재며, 단위는 힘의 단위와 같은 N(뉴턴)을 사용한다. 무게는 물체에 작용하는 중력의 크기이므로 같은 물체라도 중력이 다른 곳에서는 무게가 달라진다. 달의 중력은 지구 중력의 1/6 이기 때문에, 달에서의 무게는 지구에서 측정한 무게의 1/6 이 된다. 달 표면에 착륙한 우주인이 무거운 우주복을 입고도 껑충껑충 뛰어오를 수 있는 것은 달에서 우주인의 무게가 가벼워졌기 때문이다. 달에서 무게가 가벼워졌다고 해서 그 물체를 구성하는 고유한 양이 줄어든 것은 아니다. 즉, 물체의 무게는 장소에 따라 달라지지만 물체가 가진 고유한 양은 장소가 달라져도 변하지 않는다. 이와 같이 장소가 달라져도 변하지 않는 물체의 고유한 양을 질량이라고 한다. 질량은 윗접시저울로 측정하며, 단위는 kg(킬로그램)을 사용한다. 지구 표면에서 질량 1 kg인 물체에 작용하는 중력의 크기는 약 9.8 N이다. 따라서 지구에서 질량 1 kg인 물체의 무게는 약 9.8 N이다.

 

무게와 질량-2

 

탄성과 탄성력

고무줄이나 용수철을 잡아당기면 길이가 늘어나지만 잡아당긴 손을 놓으면 원래 길이로 되돌아간다. 이와 같이 변형된 물체가 원래 모양으로 되돌아가는 성질을 탄성이라고 한다. 물체가 지닌 탄성에 의해 나타나는 힘을 탄성력이라고 한다. 탄성력이 이용되는 예는 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 양궁은 활의 탄성력을 이용하여 화살을 날려 보내고, 농구공은 공의 탄성력에 의해 튀어 오른다. 또, 장대높이뛰기 선수는 장대의 탄성을 이용하여 높이 뛰어오른다. 이처럼 탄성력은 운동 경기에서 많이 이용된다. 악기에서도 탄성력이 이용된다. 북을 치거나 기타 줄을 튕길 때 소리가 나는 것은 북 가죽과 기타 줄의 탄성 때문이다. 또, 볼펜이나 샤프펜슬과 같은 필기구나 자전거 안장은 용수철의 탄성력을 이용하고, 자전거나 자동 차의 타이어는 고무의 탄성력을 이용한다.

 

되돌아가려는 탄성력

 

탄성력의 특징

번지 점프를 하는 사람이 낙하하다가 줄이 최대로 늘어나면 늘어난 줄의 탄성력에 의해 사람은 위로 끌려 올라간다. 이 사람은 다시 아래로 떨어졌다 위로 끌려 올라가기를 몇 차례 반복하다가 멈추게 된다. 이러한 현상은 탄성력이 작용하는 방향과 관계가 있다. 용수철에 작용하는 탄성력의 방향과 크기는 어떻게 될까? 용수철을 손으로 눌러 압축하면 용수철은 손을 밀어내고, 용수철을 잡아당겨 늘이면 손을 당기는 것을 느낄 수 있다. 또, 공을 용수철 위에 올려놓고 손으로 눌렀다 놓으면 공은 위로 튕겨 올라간다. 이러한 현상은 변형된 용수철이 원래 모양으로 되돌아가려고 하기 때문에 일어난다. 용수철을 손으로 누르거나 당길 때 탄성력의 방향은 손이 용수철에 작용하는 힘의 방향과 반대 방향으로 작용한다. 이와 같이 탄성력은 탄성체를 변형시켰을 때 원래 모양으로 되돌아가려는 방향으로 작용한다. 활을 쏠 때 화살이 멀리 날아가도록 하려면 활시위를 큰 힘으로 잡아당겨 많이 휘게 해야 한다. 그 까닭은 활이 크게 변형될수록 탄성력이 커지기 때문이다. 이와 같이 탄성력은 탄성체가 변형되는 정도가 클수록 커진다.

 

용수철을 이용한 무게 측정