<선생님도 놀란 과학뒤집기>
- 심화편: 중력 -
- (연계) 기본편: 중력 -
SF 영화 <인터스텔라>만큼 '중력'과 '시간'에 대해 생각해보게 하는 것도 없을 것 같아요.
중력이란 대체 무엇인지, 왜 시간을 거스를 수 있는 것은 중력 뿐인지 궁금해 하는 아이를 위해
이번에는 중력에 대해 배워봅니다.
▲ 과학뒤집기 심화편 19. 중력, 강의▲
<과학뒤집기 심화편 19. 중력> 19쪽에 중력을 발견한 아이작뉴턴을 소개하면서 '보편중력'을 소개합니다.
"중력은 어디에나 있다"는 것이죠.
영어로 이를 universal gravity라 표현한 것을 일본은 만유인력이라 번역하게 되면서
마치 별들 간의 끌어당기는 힘과 지구에서 작용하는 힘이 별개인 듯 잘못 알려졌지만 사실 모두 '보편중력'으로 같은 것이죠.
예전 사람들은 이를 다르게 생각했을 수도 있겠구나.. 하지만 지금은 다들 '중력'으로 알고 있지요~
▲ 과학뒤집기 기본편33. 중력, 강의▲
<과학뒤집기 기본편23. 중력> 강의에서는 같다고 보지만 완벽하게 같은 것은 아니라고 설명해 줍니다.
만유인력과 원심력에 의한 힘이 지구로부터 받는 중력입니다.
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 책 47쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 강의▲
중력은 지구와 달에서 서로 다르죠.
달은 지구 중력의 6분의 1이기 때문에 지구에서 30kg지만 달에서는 5kg이 됩니다.
이는 '무게'라고 불리죠.
kg이라는 단위는 '무게'의 정확한 단위가 아닙니다. kgf(킬로그램중), N(뉴턴)으로 불려야 맞는 거죠.
그럼 kg은 정확히 무엇의 단위일까요?
'질량'의 단위입니다.
질량은 "물체를 이루는 고유의 양"입니다.
무게는 용수철저울로 측정합니다.
가벼운 것은 약하게, 무거운 것은 강하게 잡아 당기죠.
질량은 양팔저울와 1kg원동형합을 가지고 측정합니다.
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 책 49쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 강의▲
행성의 중력은 행성의 질량이 클수록 세고,
행성의 반지름이 작을수록 세다고 합니다.
목성은 비록 반지름은 크지만, 질량 또한 매우 크기 때문에 중력이 큽니다.
(<과학뒤집기 심화편 33. 중력> 46쪽 표를 참고하세요)
행성의 자전속도에 의한 원심력도 행성의 중력에 영향을 주지요.
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 강의▲
지구에서 인공위성을 쏘아올릴 때나 왕복선을 쏘아올릴 때를 보면
자전속도에 따른 원심력을 고려하게 되는 거죠.
작용과 반작용의 법칙에 의거하여 지구에서 우주로 로켓을 쏘아올립니다.
(<과학뒤집기 기본편 33. 중력> 책 36쪽 그림 참고하세요)
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 책 47쪽▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 24쪽▲
로켓을 쏘아올릴 때 작용과 반작용의 힘을 사용하듯,
자석에도 N극과 S극이 있고, 전하에도 +와 -가 있는 반면
중력은 당기는 힘만 있다죠.
왜 중력이 생기는지, 먼 거리에서도 작용하는지 등 아직 중력에 대해 풀어야할 숙제가 많습니다.
현재 물리학에서는 초끈이론으로 중력의 비밀을 풀려고 한다고 하죠~
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 32쪽▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
갈릴레이 실험에서 같은 형태인데 무게만 다른 공을 떨어뜨리면 동시에 떨어진다고 합니다.
그 이유는 이전 운동 상태를 그대로 유지하려는 관성이 작용하게 되기 때문입니다.
이 관성의 크기를 질량으로 봅니다.
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 57쪽▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
중력의 크기, 무게는 질량에 중력가속도 9.8m/s²를 곱한 값입니다.
영화<인터스텔라>에서 "우리는 시간을 계산에 포함하지 않았기 때문에 중력 문제가 풀리지 않았다"고 말하죠.
언젠가는 중력의 비밀이 모두 풀리는 날이 오면 좋겠네요~
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 134쪽▲
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 강의▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
영화에서는 그 비밀을 블랙홀에서 찾았다고 보여줍니다.
블랙홀,
블랙홀이란 무엇인가요?
이전에 살펴본 과학뒤집기 책에서 블랙홀이 등장했었죠~ '사건의 지평선' 밖에만 있으면 빨려들어가지 않아 안전해요.
위에서 행성의 중력은 질량이 높고 반지름이 작을수록 세다고 배웠어요.
블랙홀은 한없이 한점으로 수축하기 때문에 반지름이 한없이 작죠.
농축원액이 진한 것처럼 블랙홀의 질량은 높다고 보죠.
지구에서 로켓을 발사해서 지구의 중력권에서 벗어나려면 이탈속도로 최소한 11km/s²이지만
블랙홀은 이탈속도가 빛의 속도보다 커야 해요.
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의 ▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
중력을 거스르는 힘들이 있어요. 끌림힘, 부력, 양력.
갈릴레오 실험처럼 떨어져 내려올 때 끌림힘을 높이려면 면적이 넓을수록 크게 받는다고 합니다.
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 강의▲
양력은 유선형 구조에서 나타나는데, 위는 굴곡져서 내려오기 때문에 속도가 평평한 곳을 지나오는 아래 보다 낮죠.
앞에서 뒤로 지나가는 공기의 흐름 속도 차 때문에 비행기 앞쪽이 들려지면서 위로 날아 오릅니다.
끌림힘과 양력에서 느껴지는 것 없나요?
UFO 형태가 왜 유선형에 밑바닥은 넓고 평평할까나~
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 78쪽▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
부력은 물이 밀어 올리는 힘이죠.
부력과 무게가 같으면 물체는 물에 떠있습니다.
물고기의 '부레'에 힌트를 얻은 잠수함의 '부레 탱크',
물체 안에 공기를 채우면 부피가 커져 가벼워지고
물을 채우면 밀도가 커져 무거워지는,
무게에 영향을 주는 원리를 사용합니다.
밀도? 부피?
밀도는 물질의 특징을 나타내는 기준이 됩니다.
질량은 물체를 이루는 물질의 고유한 양이고요.
같은 부피에 대한 질량, 밀도를 이용하면 물질의 무게를 비교할 수 있습니다.
같은 질량일 때 부피를 크게 하면 밀도가 낮아지고, 가벼워지는 거죠~
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 82쪽▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
밀도는 빽빽한 정도를 말합니다. 부피가 크면 덜 빽빽하겠죠~
덜 빽빽하다면 어떤 느낌이예요, 가볍겠죠. 그럼 물이 밀어 올리기 쉬우니, 다시말해 부력이 크게 작용할 수 있게 됩니다.
공기를 넣었는데, 기체는 온도와 압력의 영향을 많이 받습니다.
각 물질 간에 밀도를 비교할 때 기체의 경우 같은 온도와 압력에서 해야하는 점을 주의합니다.
아래와 같이 <과학뒤집기 심화편 19. 중력> 80쪽 표를 참고하세요.
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 80쪽▲
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 강의▲
신기한 점은 물은 고체일 때도, 온도가 낮을수록 밀도가 낮습니다.
물을 얼리면 부피가 팽창하는 걸 볼 수 있어요. 물통 안의 물을 얼릴 때 가득 담지 않는 이유죠~
바닷물이든 강물이든 물은 표면 위부터 얼고,
둥둥 떠있습니다.
▲ 과학뒤집기 기본편 33. 중력, 강의▲
읽다보면 호기심이 날만 하죠~
넓고 납작한 밑바닥을 갖는 유선형 구조에 겉은 얼음이고, 내부에는 밀도가 가장 낮은 기체를 따뜻하게 가득 채워 부피를 키운 채
초속11km의 이탈속도 만큼 중력가속도와 원심력을 거스를 만한 속도로 앞으로 나아가면 양력의 힘을 빌려 하늘 위로 좀 더 빠르게 올라갈 수 있을까요?
거대하고 우주쓰레기만 많이 만드는 작용과 반작용의 법칙에 의한 로켓 보다 빠르게 올라갈 수 있을까요?
오늘도 아이와 함께 호기심 가득 채워 봅니다!
ㅎㅎㅎ
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 105쪽▲
한편, 우주에서의 수면 시간이 지상에서보다 1시간30분 정도 짧아지는 이유는 무엇일까..
이는 중력과 시간 간에 어떠한 관계가 있음을 암시하는 걸까요~?
영화<인터스텔라>에서 '시간'을 고려하니 문제가 풀렸다며 유레카를 외치는 장면이 떠오릅니다..
언젠가는 중력의 비밀이 모두 풀리는 날이 오겠죠.
우리 아이도 그 일에 동참할 수 있으면 좋겠네요~ ㅎㅎ
▲ 과학뒤집기 심화편19. 중력, 책 142쪽▲
마지막으로 <과학뒤집기 심화편 19. 중력> 책에 등장하는 '중력 렌즈'를 소개할께요.
위 사진에서 보이듯이 심화편 강의에서 '섭동'이라는 용어를 설명해준 것처럼
질량이 큰 천체 옆을 빛이 지나면 휘게 됩니다.
아인슈타인은 시공간이 휘어진다고 표현했죠.
빛이 휘어지는 게 마치 렌즈와 같다고,
하나의 천체가 여러 개로 보이는 효과를 낸다고 하여
중력 렌즈라고 불린다네요!
142쪽 사진을 보면 노란 은하 세 개가 중력 렌즈로 작용해서
하나의 은하가 여섯 개로 보이는 게
정말 신기해요~
^_^
수민양, 과학뒤집기로 우주와 관련된 다양한 과학 개념, 원리, 지식에 대해 알아가는 중이예요~ ^_^
미래에는 우주로 가는 시대가 될테니..
몰랐던 걸 알아가는 재미가 솔솔~
융합사고력으로 생각의 폭이 쑥쑥!
과학뒤집기로 알차게 배웁니다.
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