[스미스의 탐구생활] 쇠공의 움직임으로 뉴턴의 법칙을 이해하라!

  • 확대
  • 축소

이미지 확대하기

 

‘뉴턴의 흔들이’, ‘뉴턴의 공’이라고도 불리는 ‘뉴턴의 크래들’은 주로 같은 질량의 쇠공 여러 개가 같은 길이의 실에 매달려 있는 모양이에요. 이 중 바깥쪽의 공 하나를 살짝 들었다가 놓으면, 반대편의 공 하나가 거의 같은 속도로 튀어나가는 현상을 볼 수 있지요.

 

그런데 왜 ‘뉴턴’이라는 이름을 갖게 됐을까요? 그 유래에 대해서는 정확히 알려지지 않았지만, 1967년 영국의 배우 시몬 프레블이 만든 뒤 뉴턴의 이름을 붙였다고 전해져요. 한편에선 뉴턴의 ●운동량 보존법칙을 쉽게 실험해 볼 수 있도록 뉴턴이 직접 고안한 장치라는 의견도 있어요. 그래서 뉴턴의 크래들은 물리학에서 ‘운동량 보존의 법칙’이나 ‘작용-반작용의 법칙’을 설명하는 과학교구로 주로 사용되고 있지요.

 

●운동량 : 어떤 물체가 움직이고 있을 때, 운동의 정도를 나타내는 양.

 

운동량 보존의 법칙은 외부의 힘이 작용하지 않을 때 운동량은 항상 보존된다는 법칙이에요. 예를 들어, 뉴턴의 크래들에 쇠공 2개가 있다고 가정해 봐요. 처음 살짝 들었다가 놓은 쇠공 1은 쇠공 2와 충돌하게 되고, 쇠공 1의 운동량이 쇠공 2로 전달돼 반대로 튀어나오는 운동을 하게 돼요. 이때 쇠공 1과 쇠공 2는 순간적으로 같은 힘을 서로 반대 방향으로 작용하게 돼요(작용-반작용의 법칙). 또한 쇠공 1의 운동량은 충돌 후 쇠공 2의 운동량의 총합과 같답니다(운동량 보존의 법칙).

 

 

이미지 확대하기

이미지 확대하기

 

쇠공의 움직임을 관찰해 뉴턴의 운동 법칙을 배워요!


스미스소니언 ‘뉴턴의 크래들’은 받침대와 쇠공이 매달려 있는 기둥으로 이뤄져 있어요. 받침대 양쪽에 나 있는 구멍에 막대 끝을 끼우기만 하면 본체가 쉽게 완성되지요.

 

일단 오른쪽 끝에 있는 쇠공 하나를 바깥쪽으로 들어 올렸다가 놓아요. 그럼 쇠공은 원래 있던 자리로 돌아가 옆자리의 추와 부딪힌 뒤 움직임을 멈추지요. 동시에 반대쪽 가장자리에 있던 추 하나가 바깥쪽으로 튕겨 나갔다가 돌아와요. 가장자리 끝의 쇠공 두 개는 마치 시소를 타듯 튕겨 나갔다가 돌아오는 걸 반복하지요. 또 쇠공 두 개를 들었다가 놓으면 반대쪽으로 두 개가 튀어나오고, 쇠공 세 개를 들었다가 놓으면 반대쪽으로 세 개가 튀어나오는 걸 볼 수 있어요.

 

하지만 시소를 타듯 서로를 튕겨내던 쇠공은 움직임을 반복할수록 힘이 약해져요. 튕겨 나가는 높이가 점점 작아지다가 결국 멈춰 서게 되지요. 운동량 보존의 법칙에 따르면 쇠공은 무한히 움직일 것 같은데, 왜 멈추는 걸까요?

 

그 이유는 쇠공은 움직이면서 공기의 저항을 받고, 다른 쇠공과 부딪히면서 충돌음을 내기 때문이에요. 운동 에너지의 일부가 공기와의 마찰 에너지나 소리 에너지로 바뀌어 운동량이 줄어든 거예요. 그 결과 쇠공의 움직임이 멈추게 된답니다.

글 : 이윤선 기자 petiteyoon@donga.com
어린이과학동아 2018년 08호


위로