관성이라고 하는 것은 움직이는 물체는 계속 움직이려 하고, 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려고 하는 성질을 나타냅니다. 관성의 법칙을 쉽게 느낄 수 있는 것이 바로 버스를 타 보는 것입니다.
관성의 법칙이란?
관성의 법칙은 비교적 간단하게 체험할 수 있습니다. 도로를 달리고 있는 버스가 브레이크를 밟게 되면, 차는 정지하게 되는데 몸은 앞으로 계속 쏠리게 됩니다.
다시 버스가 속도를 올리게 되면, 차는 앞으로 움직이지만 몸은 차와는 반대 방향인 뒤로 젖혀지는 것입니다. 이것이 바로 우리가 주위에서 가장 쉽게 관성의 법칙을 느끼는 순간입니다.
관성의 법칙을 발견한 사람
관성의 법칙을 발견하고 정의한 사람은 갈릴레오라고 합니다. 그렇다면 갈릴레오는 어떻게 하여 관성의 법칙을 발견하고 정의하였을까요?
갈릴레오는 경사면에서 공을 굴려보는 실험을 하였습니다.
이 실험은 낙하하는 속도를 구하기 위한 실험이었습니다. 마찰이 없는 경사면에서 공을 놓으면, 반대쪽의 같은 높이까지 올라갔다가 다시 제자리로 돌아가게 됩니다.
만약에 경사면 한쪽이 길어지면 어떻게 될까요? 공은 또 같은 높이가 나올 때까지 움직이게 됩니다. 경사면의 길이를 더 길게 바꿔보아도 마찬가지 결과가 나오게 됩니다.
그렇다면 반대쪽 경사를 아예 없애면 어떻게 될까요? 역시 공은 그 높이가 나올 때까지 나아가게 됩니다.
이것이 바로 관성의 법칙입니다. 운동하고 있는 물체는 방해를 받지 않는 한 계속해서 직진 운동을 하게 됩니다.
그래서 우주에서 한 번 힘을 받은 물체는 영원히 계속 움직이게 됩니다.
우주에는 마찰력이 작용하지 않기 때문입니다. 우주선도 방향을 바꾸지 않는 한 연료 없이 계속 앞으로 나아갈 것입니다.
관성과 중력의 차이
관성의 법칙에 따르게 되면 달도, 공도 계속 앞으로만 나아가야 합니다. 그런데 달은 지구 주위를 돌고 있으며, 지구 역시 한 방향으로 태양을 돌고 있습니다.
또한 지구 상에서 하늘로 높게 던진 공은 아래로 떨어집니다. 그렇다면 공이 땅에 떨어지지 않게 하는 방법이 있을까요?
그중 하나의 방법은 공이 땅에 닿게 전에 땅을 내리는 것입니다. 땅을 계속 내리다 보면, 공이 지나간 궤적은 둥그런 모양이 되고, 공은 계속 지구 주위를 돌게 됩니다.
바로 이런 현상을 적용하여 만든 것이 인공위성입니다. 달도 인공위성처럼 떨어지면서 계속 지구 주위를 돌고 있는 것입니다.
새로운 만유인력의 법칙
그런데 사과와 달은 도대체 왜 밑으로 떨어지는지 의문이 생기게 됩니다. 이에 대해서 뉴턴은 서로 잡아당기는 힘 때문이라고 생각을 했습니다.
뉴턴은 중력이 질량을 가진 모든 점들에 존재한다고 생각했습니다. 그 점들이 모여 만든 물체는 그 질량만큼 힘을 가지게 됩니다. 그것이 사과든, 달이든 동그란 공이든 전혀 관계없이 말입니다.
그리고 하나의 같은 힘이 모든 물체 사이에 작용한다고 믿었습니다. 그것이 바로 만유인력입니다.
뉴턴은 자신이 세운 가정 위에서 그 힘을 계산해 보았고, 그것을 하나의 방정식으로 만들었습니다. 그것이 바로 유명한 만유인력의 공식입니다.
뉴턴의 방정식은 복잡해 보이지만 사실 말로 풀어내면 아주 단순합니다. 이 두 개의 물체는 서로를 잡아당기고 있습니다. 잡아 당기는 힘의 세기는 질량이 클수록 세지게 됩니다.
만약에 호두와 사과가 있다면, 호두와 사과의 질량이 커질수록 잡아 당기는 힘이 세진다는 뜻입니다.
그리고 둘 사이의 거리는 가까울수록 힘이 세지고, 멀어질수록 약해집니다. 정확히 하면, 거리의 제곱에 반비례하는 것입니다.