우리주변에 작용하는 여러가지 힘들에 대한 이야기 - 중력(Gravity), 마찰력(Friction), and More Forces

우리주변에 작용하는 여러가지 힘들에 대한 이야기 - 중력(Gravity), 마찰력(Friction), and More Forces

일상 생활에서 우리가 보는 모든 곳에서 우리는 힘이 작용하는 것을 볼수 있어. 

Gravity (중력) - 질량을 가진 물체들 사이의 당기는 힘

Gravity는 물체가 땅에 떨어질때 우리가 볼수 있는 힘만은 아니야. 중력은 모든 질량에 작용해. 중력은 모든 질량을 가진 물체들 사이에 생기는 당기는 힘을 말해. 중력의 세기는 질량과 질량들 사이의 거리에 관여하지. 큰 질량을 가진 물건일 수록 더 큰 중력을 가져. 그리고 물체가 가까이 있을수록 더 큰 힘으로 너를 당길거야. 만약 중력이 모든 물체에 영향을 끼친다면, 네가 빌딩옆을 지나갈때 왜 빨려들어가지 않을까? 물체간의 중력의 힘은 매우 작아서 우리는 잘 느끼지 못해 특히 지구로부터의 중력의 힘과 비교한다면 말야. 중력은 지구를 태양의 궤도에 유지할 수 있게 해줘. 태양은 엄청난 질량을 가져 태양계의 모든 행성들에게 중력을 발휘하거든. 

태양계에 작용하는 중력

중력, 마찰력

Weight (무게)

무게는 실제로 중력의 척도야.  무게는 중력과 물체의 질량에 따라 달라져. 저울에서 두 물체의 무게를 측정하면 질량이 더 많은 물체의 무게가 더 많이 나가지.

질량은 위치에 따라 달라지진 않아. 하지만 무게는 중력에 따라 변하기 때문에 네 위치에 따라 변할 수 있어. 예를 들어 중력이 작은 달에서 무게를 재면 지구에서보다 훨씬 적게 나가는걸 알거야. (달의 중력은 지구의 6분의 1이란다.) 

중력이 널 지구 아래로 당기고 있기 떄문에 땅으로 가속이 된단다. 그 지구가 당기는 중력의 힘은 대충 9.8 x m/s2 로 계산할 수 있어. 그래서 공기중에 네가 무언가를 던지면 공중에서 멈출 때까지 속도가 느려지고 땅으로 다시 내려와 땅에 충돌 할 때까지 가속이 된단다. (이걸 마이너스 가속이라고 해) 

9.8 x m/s2

Friction (마찰력)

뉴턴의 첫 번째 법칙에 따르면 움직이는 물체는 알짜힘이 작용하지 않는 한 계속 움직여. 책을 테이블에 슬라이딩시켜보면 점점 속도가 줄면서 어느순간 멈출꺼야. 이 책에는 어떤 알짜힘이 작용했을까? 바로 마찰력이야. 이 힘은 접촉하는 표면 사이의 움직임에 반대로 나타나고, 항상 움직임의 방향에 반대하는 힘이야. 스케이트 보드를 탈 때 인도 와 바퀴의 베어링과의 마찰로 인해 바퀴가 느려져. 

일반적으로, 거친 표면은 더 많은 마찰력을 발생시켜. 사포는 일반 종이보다 미끄러지기 힘들지 왜냐하면 거친 표면으로 더 큰 마찰력을 가지기 떄문이야. 반면 표면에 기름칠을 하면 마찰력은 줄어들지. 우리몸에eh 마찰력을 줄이는 부분이 있단다. 우리의 무릎에는 관절의 마찰을 줄이기 위해 액체가 있어. 

공기와 물에도 마찰력이 있어.  공기의 마찰력에 대한 전문적인 용어는 Air Resistance (공기의 저항)이야. 네가 깃털을 떨어뜨렸을때 이것은 여기저기를 떠다니지 왜냐면 공기의 저항이 아래로 내려가는 운동에 반대로 작용하기 때문이야. 마찰력은 접촉하는 표면사이의 운동에 반대되는 힘이고, 더 큰 면적을 가진 물체가 공기 저항을 더 많이 가져. 

마찰력

다른 종류의 마찰력

Static Friction (정적 마찰) : 운동하지 않는 표면사이의 마찰력을 Static Friction (정적 마찰) 이라고 불러. 정적 마찰은 하나의 표면의 분자가 다른 물체의 표면에 부착된 결과야. 

 

Sliding Friction (슬라이딩 마찰력) : Kinetic Friction (운동 마찰력)이라고도 알려져 있는 슬라이딩 마찰력은 마찰력의 힘이 운동중인 표면에 영향을 미쳐. 네가 박스를 밀었을때, 운동에 저항하는 마찰력은 슬라이딩 마찰력이야. 표면이 항상 정적 마찰력처럼 붙어 있지 않기 때문에, 슬라이딩 마찰력은 정적 마찰력보다 약해 

Rolling Friction (구름 마찰력) : 바퀴나 볼 같은 물체가 표면을 자유롭게 구를때 생기는 표면간의 마찰력을 Rolling Friction (구름 마찰력)이라고 해. 스케이트 보드와 인도사이의 마찰력은 구름 마찰력이야. 구름 마찰력은 슬라이딩 마찰력 보다 작아. 바퀴로 움직이는 것이 더 쉬운 이유가 바로 이 때문이지. 

Static Friction, Sliding Friction, Rolling Friction

Terminal Velocity (터미널 속도) 

물체가 땅으로 떨어질때, 두개의 힘이 작용해. 하나는 중력이고 다른 하나는 이 운동에 반대되는 공기의 저항이지. 공기의 저항이 물제의 중력의 힘과 같을때, 알짜 힘이 물체에 없을때, 그 힘들은 발란스를 이뤄. 알짜 힘없이, 물체는 가속을 멈추고 같은 속도로 떨어질거야. 터미널 속도는 중력이 공기의 저항과 같아지는 속도를 말해. 이 속도는 많은 요소들게 따라 달라져. 물체의 표면적, 중력, 물체의 방향, 그리고 공기의 두께까지도 속도에 이런 요소중 하나야. 

Magnetic and Electric forces (자기력과 전기력) 

네가 자석을 가지고 놀때, 넌 끌어당기는 힘이나 혹은 밀어내는 힘을 느낄거야. 자석은 철, 강철, 또 다른 자석에 끌려. 자석은 양극과 음극을 가지고 있어. 서로 다른 극은 끌어당기고, 반대는 밀어내지. 그래서 네가 양극과 음극을 붙이면 서로 강하게 당기고, 음극과 음극 혹은 양극과 양극을 만나게 하면 넌 서로 밀어내는 힘을 느낄꺼야. 

자석의 당기는 힘과 미는 힘 

Electric Forces (전기력)은 물질의 양전하와 음전하에 의해 발생한다는 점에서 자기력과 같아. 자기력은 움직이지 않는 전하에 의해 생성되는 반면, 전기력은 이동하는 전하에 의해 생성되지. 전기력과 자기력의 강도는 전하의 양과 전하 사이의 거리와 관련이 있어. 전기력과 자기력은 전하가 더 강하고 전하가 서로 더 가까울때 증가해. 

Electromagnetism (전자기학)은 전기력과 자기장의 상호 작용이야. 움직이는 모든 전하에는 주변에 자기 영역이 있고,  전류를 전달하는 전선은 자기장으로 둘러싸여 있어. 철심 주위에 전류가 흐르는 전선을 감아서 전자석을 만들 수 있어. 이건 다른 자석과 마찬가지로 한쪽 끝은 N극이고 다른 쪽 끝은 S극이야.

N극과 S극은 전기 흐름의 방향에 의해 결정돼. 흐름을 반대로하면 극이 바뀌지. 

전기력 전자기력

Centripetal force (구심력) - 물체가 곡선 또는 원형 경로를 따르도록 하는 힘으로, 이 힘은 회전 중심을 향해 안쪽으로 향한다. 

속도에는 속도와 방향이 모두 포함되기 때문에 원을 그리며 움직이는 물체는 속도를 지속적으로 변경하며 가속해. 원 운동중인 물체는 가속되기 때문에 물체에 작용하는 외부의 힘이 있어야 하지. (뉴턴의 두 번째 법칙에 따르면 힘은 질량에 가속도를 곱한 값과 같지.) 원 운동에서 물체에 영향을 미치는 힘을 구심력이라고 해. 구심력은 항상 원형 운동 경로의 중심을 향해. 구심력은 여러 가지가 될 수 있어. 달은 지구를 중심으로 원형 궤도를 돌며 구심력의 영향을 받어. 네가 요요를 원을 그리며 돌리면 줄의 장력이 요요가 원 운동을 지속하게 하는 구심력이 되지.

구심력

구심력

Buoyancy and Density (부력과 밀도)

고무 오리를 떠있게하는 힘을 부력이라고 해. 부력은 액체에 잠긴 물체를 액체 위로 밀어 올리는 힘이야. 부력은 액체의 밀도와 물체가 떠 있는 액체의 양에 따라 달라져. 액체의 밀도가 높고 액체에 덜 가라앉아 있을수록 부력이 더 강해. 부력은 실제로 가라앉은 물체의 무게와 같아. 이 원리를 아르키메데스의 원리라고 부른단다. 

아르키메데스의 원리

기억할 것 : 액체에 넣는 물체가 액체보다 밀도가 낮으면 액체 위로 뜨고, 액체보다 밀도가 높으면 가라앉는다. 

<출처: Everything you need to ace Science in one big fat notebook>