Ch2 여러가지 힘 Lesson 1 중력과 탄성력

2. 여러가지 힘

이번 단원부터 이제 물리라는 과학영역에 들어갑니다. 물리학은 자연계에 존재하는 모든 힘과 그 힘에 의한 영향을 분석하는 학문으로 많은 다른 응용과학 분야의 기초가 되는 학문입니다. 이 단원에서는 여러가지 힘에 대해 알아보는 시간을 가져 보겠습니다.

 

1. 중력과 탄성력

A. 중력

1) 과학에서의 힘

과학에서의 힘이란 물체의 모양, 운동방향, 빠르기(속력 혹은 속도)를 변화하게 하는 원인입니다. 여러분이 힘을 주어서 과자를 쪼개거나(모양변화) 그 과자를 손으로 위로 던져서 먹는 (운동방향 변화) 놀이를 하는데 힘을 더 주어서 위로 던지면 과자가 더 빠른 속력(빠르기 변화)로 위로 올라가게 되죠 당연한 얘기겠지만 힘의 크기가 크면 클수록 물체의 모양이나, 운동 방향 그리고 빠르기의 변화량이 더 큽니다.

 

a) 힘의 크기 단위

단위는 N이라고 쓰고 뉴턴이라고 읽습니다. 1N의 힘의 크기는 마찰이 없는 수평면 위에 정지해 있는 1kg의 질량의 물체를 밀어 1초동안 0.5m 이동하게 하는데 드는 힘이라고 정의를 합니다.

 

b) 힘의 표시

주로 화살표로 많이 표시를 하고 힘이 작용하는곳, 힘의 크기, 힘의 작용방향등을 화살표로 표현합니다.

 

2) 중력

지구상에 사는 우리가 물체를 가만히 놓아보면 전부다 땅으로 낙하합니다. 나중에 배우겠지만 질량을 가진 물체는 당기는 힘인 만유인력이 존재하는데 지구의 질량이 너무나 크기 때문에 지구상의 물체들은 전부 지구의 중심방향 즉 땅으로 낙하하게 됩니다. 이렇게 지구가 물체를 당기는 힘을 중력이라고 합니다.

 

a) 중력의 방향

중력은 지구의 중심방향으로 작용합니다. 즉 여러분이 서 있는 평평한 땅에 수직인 방향으로 작용을 하게 되죠

 

b) 중력에 의한 현상과 이용

중력이 있기 때문에 우리는 지구상에 발을 붙이고 살고 있습니다. 중력이 없다면?? 점프를 하는순간 우주로 쓔웅 날라가겠지요 또한 공기와 물도 지구의 중력이 있기 때문에 지구상에 유지가 되고 있습니다. 물이 증발을 해서 기체가 되어도 중력이 있어서 비가 되어 땅으로 떨어지게 되니까요 또한 수력발전 같은 것도 지구의 중력을 이용하는 여러 예시중 하나입니다.

 

c) 중력의 크기

중력의 크기를 무게라고 합니다. 중력의 크기는 물체의 양이라고 정의하는 질량이 더 크거나 지구 중심에 가까울수록 더 커지게 되죠 덩치가 더 있는 사람이 무게가 많이 나가는거야 많이 관찰이 되니 그렇다 하더라도 지구중심에서 거리가 멀어지는 것?? 여러분들도 아시다 시피 지구는 완전한 구형이 아니라 가로로 긴 타원에 가깝습니다. 아무래도 지구자체가 자전을 하니까 원심력이 크게 작용하는 적도부근이 조금 더 긴 타원입니다. 같은 질량을 가진 물체를 극지방과 적도지방에 가져가서 무게를 측정해 보면 극지방이 좀더 크게 나옵니다. 지구 중심에 좀더 가까운 장소니 말이죠.

 

3) 무게와 질량

a) 무게

물체에 작용하는 중력의 크기로 측정하는 장소에 따라 그 값이 바뀝니다.

- 측정 : 정의에서 보셨다시피 작용하는 힘의 크기이므로 저울이나 체중계를 이용해서 측정하며 단위는 N를 사용합니다.

 

- 장소에 따른 변화 : 지구에서의 무게는 지구가 물체를 당기는 힘의 크기이고 달에서는 달이 물체를 당기는 힘의 크기입니다. 목성에서는 목성이 물체를 당기는 힘의 크기가 되겠죠 달은 지구 중력의 1/6배이므로 무게도 지구에서의 1/6배가 될 것입니다. 목성은 중력이 지구의 2.5배 정도이므로 무게도 지구에서의 2.5배로 측정이 될 것입니다.

 

b) 질량

물체가 고유하게 지니고 있는 양으로 장소가 달라져도 변하지 않습니다.

- 측정 : 질량은 양팔저울을 사용해서 동일한 중력이 작용하는 장소에서 상대적으로 측정합니다. 단위는 g, kg을 사용합니다.

 

- 질량과 무게와의 관계 : 당연한 얘기겠지만 양이 많으면 당기는 힘도 큽니다. 질량과 무게는 비례합니다.

 

- 질량과 무게와의 비교 : 질량은 어디에서나 그 값이 변하지 않지만 무게는 측정하는 장소에 따라 그 값이 계속 변하게 됩니다.

 

c) 우주정거장

지구 주위를 공전하는 우주 정거장에서도 중력은 작용하지만 원심력으로 인해 중력이 거의 작용하지 않습니다. 영상을 보시면 둥둥 떠다니는 지구상에서는 관찰할 수 없는 모습을 여러분이 보신적이 있으실 겁니다. 따라서 무게측정도 어렵고 질량도 측정이 안됩니다.

 

- 무게

무게 자체는 중력이 작용하지 않은 공간에서는 측정이 불가능 합니다.

 

- 질량

질량도 측정은 어려우나 운동에 따른 상대적인 움직임으로써 두 물체의 질량을 비교해 볼 수 있습니다. 나중에 배우시겠지만 뉴턴의 운동 2법칙 주어진 힘이 같을 때 질량이 작을수록 더 많이 가속이 된다는 사실로 비교해 볼 수가 있는 것이죠.

 

B. 탄성력

1) 탄성력

용수철이나 요즘 운동기구에 많이 달려있는 스트레칭용 고무 밴드를 보면 어느정도의 힘으로 늘리면 다시 원래대로 돌아가게 됩니다. 이를 물체가 가지고 있는 탄성이라고 하는데 변형된 물체가 원래의 모양으로 되돌아가려는 힘을 탄성력이라고 합니다.

 

- 탄성력의 방향

용수철을 당기고 늘여보고 하시면 손에 작용하는 힘의 방향을 느껴보실 수 있습니다. 늘이면 그 반대방향으로 당겨지는 힘이 작용하고 줄이면 반대로 늘어날려고 합니다. 즉 탄성력은 탄성체에 작용한 힘의 방향과 반대 방향으로 작용하게 됩니다.

 

- 탄성력의 크기

탄성체에 작용해준 만큼의 딱 그만큼의 힘이 작용합니다. 즉 여러분도 느끼시겠지만 많이 당기면 당길수록 그만큼 당겨지는 힘도 크게 느껴집니다. 즉 변형을 크게하면 할수록 탄성력의 크기는 더 큽니다.

 

2) 용수철을 이용한 물체의 무게 측정

a) 용수철에 매단 물체에 작용하는 힘

용수철에 물체를 매달면 물체에는 중력이 작용하고 용수철에는 늘어나는 길이만큼 탄성력이 작용합니다. 이 두힘이 평형을 이루면 더 이상 늘어나지 않고 물체가 매달린 상태로 정지할 것입니다.

 

b) 용수철이 늘어난 길이와 물체의 무게

당연히 물체의 무게가 무거우면 용수철도 늘어날 것입니다. 이걸 측정해 보면 아시겠지만 용수철에 매단 무게와 용수철이 늘어난 길이는 정비례합니다.

3) 탄성력의 이용

가장 기본적인 체중계에서부터 용수철 형태로 있는 것들은 대다수 탄성력을 이용합니다. 가까이는 기타를 칠 때 기타줄을 튕기면 떨리면서 원래대로 돌아오거나 양궁이나 장대 높이뛰기의 장대도 탄성력을 이용한 것들의 예시가 되죠

 

C. 관련 실험

실험 제목 : 용수철을 이용하여 물체의 무게 측정하기

실험의 과정

1) 스탠드에 용수철, 자를 설치하고 용수철 끝부분을 자의 눈금 0에 맞춘 다음 용수철에 추를 1개 매달아 용수철이 늘어난 길이를 측정한다.

2) 용수철에 동일한 추를 2개, 3개, 씩 매달아 용수철이 늘어난 길이를 측정한다

3) 용수철에 매단 추의 전체 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이를 그래프로 나타낸다.

4) 용수철에 추 대신 다른 물체를 매달았을 때 용수철이 늘어난 길이를 각각 측정하고 과정 3)의 그래프를 활용하여 무게를 측정한다.

 

결과

측정 결과는 다음과 같습니다.

추의 갯수	전체 질량	전체 무게	늘어난 길이
1개	50g	0.49N	6cm
2개	100g	0.98N	12cm
3개	150g	1.47N	18cm
4개	200g	1.96N	24cm

이를 그래프로 나타내어 보면 다음과 같습니다.

1) 용수철이 늘어난 길이는 용수철에 매단 추의 개수, 즉 매단 추 전체의 무게에 비례한다.

2) 용수철이 늘어난 길이를 측정하면 용수철에 매단 물체의 무게를 구할 수 있다.