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  1. 2006년 7월호

「2007 만점논술」통합 교과서 속 논제 읽기 (과학) - 중력 환경에서의 과학적 현상과 법칙 교과서

   

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[출제 예상 포인트]
● 물체의 운동에 작용하는 힘과 질량과의 관계는 어떠한가?
● 아리스토텔레스의 운동론과 갈릴레이가 증명한 등속 운동의 차이점은 무엇인가?
● 동일한 가속도로 운동하는 물체를 관찰할 때, 힘의 작용을 느낄 수 없는 이유는 무엇인가?
● 무중력장에서 우리 몸에 나타날 수 있는 변화는 무엇인가?
● 무중력장에서 물질의 밀도가 고르게 나타나는 이유는 무엇인가?
  질량, 중력, 낙하 가속도
 
  물체에 힘이 작용하면 물체가 가속도 운동을 한다. 이 때 힘의 크기와 가속도 사이에는 어떤 관계가 있을까? 또, 작용하는 힘이 같다면 물체의 종류에 관계없이 물체의 가속도가 모두 같을까?
 
  질량이 같을 경우에 물체에 작용하는 힘이 클수록 가속도가 크고, 작용하는 힘이 같을 경우에는 물체의 질량이 작을수록 가속도가 크다. 이와 같은 힘과 가속도, 질량 사이의 관계를 나타낸 것이 뉴턴의 운동 제2 법칙(가속도의 법칙)이다. 즉, 물체의 가속도는 물체에 작용하는 힘의 크기에 비례하고, 물체의 질량에 반비례한다.
 
  그렇다면 낙하하는 물체에도 뉴턴의 운동 제2 법칙을 적용할 수 있을까?
 
  1. 다음은 낙하 운동에 대한 옛날 사람들의 생각이다.
 
  A : 가벼운 물체와 무거운 물체를 같은 높이에서 동시에 떨어뜨리면 무거운 물체가 먼저 떨어질 거야. 실제로 종이 한 장과 돌을 동시에 떨어뜨리면 돌이 먼저 떨어지잖아.
  B : 그렇지만 무거운 돌과 가벼운 돌은 동시에 땅에 떨어지던데…….
 
  A : 하지만 물 속에서 모래 한 알과 자갈 하나를 떨어뜨리면 자갈이 먼저 떨어지지.
  B : 공기나 물과 같이 낙하에 방해되는 것이 없다면, 무게에 관계 없이 동시에 떨어지는 것을 볼 수 있을 텐데…….
 
  2. 1971년 달에 착륙한 데이비드 스콧(David Scott)은 망치와 깃털을 낙하시키는 실험을 통해 중력을 받아 낙하하는 물체는 질량에 관계 없이 동시에 떨어진다는 것을 증명하였다.
 
  달에는 공기가 없으므로 달에서 낙하하는 물체에는 중력만 작용하는데, 중력의 크기는 물체의 질량에 비례한다. 즉, 망치에 작용하는 중력이 깃털에 작용하는 중력보다 크다. 그러나 가속도는 힘을 질량으로 나눈 값이므로 망치에 작용하는 중력을 망치의 질량으로 나눈 값과 깃털에 작용하는 중력을 깃털의 질량으로 나눈 값은 같다. 가속도가 같으므로 질량이 다른 깃털과 망치가 동시에 떨어지는 것이다.
 
  - 고등 학교 『과학』 (디딤돌)
 
 
  관성의 법칙
 
  물체가 정지 상태나 일정한 운동 상태를 계속해서 유지하려는 성질을 관성이라고 한다. 그리고 물체가 어떤 힘을 받지 않는다면 관성에 의해 운동 상태를 계속 유지한다는 갈릴레이의 생각을 관성의 법칙 또는 뉴턴의 운동 제1 법칙이라고 한다.
 
  16세기까지는 물체의 운동에 대해 다음과 같은 두 가지 주장이 있었다.
 
  ·아리스토텔레스의 주장 - 물체가 계속 운동하기 위해서는 힘이 필요하며, 이 때 작용하는 힘은 반드시 접촉하여 작용한다.
 
  ·갈릴레이의 주장 - 운동하는 물체의 자연스런 경향은 등속 직선 운동을 하는 것이고, 운동을 계속 유지하는 데에는 힘이 필요 없다.
 
  - 고등 학교 『물리 Ⅰ』 (대한교과서)
 
 
  관성 기준계
 
  ·관성 기준계란?
 
  물체의 운동에 뉴턴의 운동 법칙인 (F = ma)를 적용할 수 있는 기준계를 말한다. 아무런 힘을 받지 않거나 물체에 작용하는 합력이 0이어서 등속도 운동하는 물체도 가속 운동하는 기준계에서 보면 마치 물체가 가속 운동을 하는 것처럼 보인다. 그래서 가속 운동하는 기준계에서는 물체에 실제로 작용하지도 않는 관성력이 작용하는 것처럼 보이기 때문에 뉴턴의 운동 법칙을 적용할 수 없다.
 
  · 관성 기준계를 구별하는 방법
 
  어떤 물체에 힘이 작용하는지 아닌지 또는 물체에 작용하는 합력이 0인지 아닌지는 물체의 운동과 관계 없이 각종 힘의 법칙에 의해 알 수 있다. 그래서 힘을 받지 않거나 받은 힘의 합력이 0인 물체가 등속도 운동을 하는 기준계를 관성 기준계라고 정의하면 좋다.
 
  - 고등 학교 『물리 Ⅱ』 (천재교육)
 
 
  생물체와 환경과의 관계
 
  1. 생물체 내에서는 여러 화학 반응이 끊임없이 일어나고 있다. 체내의 반응은 간단한 물질을 복잡한 물질로 합성하는 동화 작용과 복잡한 물질을 간단한 물질로 분해하는 이화 작용으로 나눌 수 있으며 두 작용을 통틀어 물질대사라 한다.
 
  2. 우리는 시끄러운 소리가 들리면 귀를 막기도 하고, 강한 빛이 내리쬐면 손으로 빛을 가리기도 한다. 이렇게 생물이 자극에 대해 적절한 반응을 보임으로써 외부 환경의 변화에 민감하게 반응하는 것은 생명 현상을 유지하는 데에 있어 매우 중요하다.
 
  또한, 생물은 내부의 환경 변화에도 민감하게 반응하여 체액의 삼투압, pH, 혈당 및 체온 등을 일정하게 유지하는데, 이와 같이 생물이 생물체 내외의 여러 변화에 대해 체내 환경을 일정하게 유지하려는 성질을 항상성이라 한다.
 
  - 고등 학교 『생물 Ⅰ』 (형설출판사)
 
 
  ▣ 교과서 속 숨은 주제 이해하기
 
 
  하늘을 날고, 우주를 여행하다
 
  요즈음 공원 등의 탁 트인 공간에서 물 로켓 발사 실험이나, 모형 항공기 대회를 개최하는 것을 심심치 않게 볼 수 있다. 또한, 청소년들의 과학 관련 행사장에도 자주 등장하는 것이 바로 물 로켓, 모형 비행기 대회 등이다.
 
  인간이 하늘을 나는 꿈은 매우 오래 전부터 있어온 듯하다. 고대 희랍 신화에서 이카루스(Icarus)는 밀랍으로 고정시킨 날개를 달고 지금의 글라이더와 같은 형태로 하늘을 비행하다가 태양의 열기에 밀랍이 녹아 내려 그만 추락하고 마는 이야기가 나온다.
 
  오랜 시간이 지난 후 레오나르도 다 빈치는 스스로 동력을 만들어 운동할 수 있는 비행선을 설계했으며, 종종 영화나 만화에서 이것을 현실화하여 보여 주기도 하였다. 베른(Jules Verne)의 소설에서는 뉴턴의 중력 이론을 적극 이용하여 대포를 만들어 로켓에 필요한 속도를 얻고, 달나라를 여행하는 인간의 이야기가 그려져 있다. 또한, 아주 오래 된 피라미드 안의 벽화에는 왕이 현재의 우주선과 매우 흡사한 구조물을 타고 비행하는 그림이 그려져 있는데, 그 구조물 내의 여러 장치들의 기능이 현재의 우주선에 필요한 다양한 기능들과 그다지 다르지 않음을 알 수 있다.
 
  이러한 인간의 꿈이 현실에서 가능하게 된 것은 최근의 일이며, 아직도 우주 항공 기술은 가장 첨단의 기술이라고 할 수 있다. 오래 전부터 이러한 시도들이 끊이지 않고 이어져 왔다는 것, 그리고 지금의 비행선과 유사한 구조물들을 그려 왔다는 것으로 볼 때, 오래 전부터 비행 기술에 필요한 것이 무엇인지 잘 알고 있었다는 것을 짐작하게 한다.
 
  베른(Jules Verne)은 왜 그의 소설에서 위험한 포탄을 이용하여 우주 여행을 하려고 했을까? 이는 뉴턴의 로켓 연구에도 매우 중요한 요소가 되었다. 물론 뉴턴의 연구가 베른의 소설에 앞서는 것이었다.
 
  로켓이 지구를 탈출하여 지구 주변을 원운동하는 위성이 되기 위해서는 적어도 초속 7~8km/s의 속력을 필요로 한다. 또한, 달까지 여행하기 위해서는 초속 11~12km/s의 속력을 필요로 한다. 이는 우리 주변에 있는 일반적인 물체의 운동과 비교해 볼 때 매우 빠른 속도이다. 가장 빠르게 달리는 인간의 속도가 초속 10m/s를 조금 넘는 정도이고, 여객기의 속도도 초속 150m/s를 넘지 않기 때문이다. 따라서 이러한 속도를 얻는 방법이 기본적인 요구 사항일 수밖에 없었으며, 또한 여기에 인간의 정밀한 제어가 들어가야 하기 때문에 극한의 기술을 요한다고 할 수 있을 것이다.
 
  로켓의 이러한 속력은 지구의 자전 속도(약 10km/s)를 적절히 이용함으로써 얻을 수 있다. 여기에 연료의 분사로부터 얻는 반작용으로 중력을 이기고 상승하는 데 필요한 일을 하는 것이다. 과학적 원리와 다양한 시도가 인류의 오랜 꿈 중의 하나였던 비행과 우주 여행을 가능하게 한 것이다.
 
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운동 제2 법칙
운동 제2 법칙은 시간에 대해 변화하는 양이 속도 변화에만 있다는 것을 알 수 있다. 그것이 가속도로 나타나고 힘의 효과가 된다는 가정을 바탕으로 하고 있는 것이다. 또한, 한 물체의 질량은 특별히 버리거나 첨가되지 않으면 일정한 상수와 같이 취급한다. 그러나 운동에 의하여 변화하는 것은 아인슈타인의 특수 상대론에 의하면 속도가 증가할수록 질량도 증가하게 되며, 빛의 속도에 가까워지면 같은 물체라도 무한대의 질량에 근접하게 된다. 속도에 따라 질량이 변화한다고 하면 운동 제2 법칙의 힘에 관한 가속도와 질량의 관계식은 어떻게 바뀌어야 할까?
  우리는 충격량의 식에서 충격력과 시간과의 곱이 운동량의 변화량과 같다는 사실을 배웠다. 그렇다면 충격력, 즉 힘을 시간당 운동량의 변화로 표현하면 어떻게 될까? 결국 운동량은 질량과 속도의 곱으로 정의되므로, 힘을 운동량의 변화량으로 표현함으로써 질량의 변화까지 포함시킬 수 있는 식을 얻을 수 있다.
 
 
  로켓의 운동과 운동 제3 법칙
  로켓이 발사되어 운동을 할 때, 추진력은 운동 제3 법칙에 의해 연료를 방출하는 힘에 비례한다. 이 때 받는 힘을 로켓의 시간당 속도 변화량으로 나타낼 수 있을 것이다. 즉, 운동 제2 법칙과 가속도의 정의에 따라 로 나타낼 수 있는 것이다. 그러나 로켓의 운동을 로켓이 뿜어 내는 연료의 속도로 표현할 수는 없을까?
  로켓이 일정한 질량(m)을 매시간당 일정한 상대 속도(u )로 뿜어 내고 있다면 로켓이 받는 추진력은 이러한 값으로 어떻게 표현 가능하겠는가? 로켓이 뿜어 내는 연료의 질량은 로켓의 질량을 감소시킨다. 이러한 연료의 질량 변화율은 로켓의 질량 변화율과 같다. 또한, 상대적인 속도가 일정한 상태이므로, 으로의 관계를 가진다. 이 식이 위에서 표현한 힘의 식과 어떠한 관계를 가지는지도 힘께 생각해 보자. 로켓의 운동은 등가 속도가 아닌 시간이 갈수록(연료를 뿜어 내는 동안) 가속도가 증가하는 운동을 하게 된다.


Teacher's Advice
비행기는 대기가 존재하는 곳에서만 날 수 있습니다. 이는 비행기의 날개 구조만 보아도 알 수 있답니다. 날개의 상부와 하부 사이에서의 기압 차를 만들어 양력을 얻어서 뜰 수 있게 되는 것이지요. 그러나 인공위성 등의 로켓은 날개 구조가 없는 것을 볼 수 있는데, 이는 로켓이 대기가 없는 우주 공간에서 운동해야 하므로 대기에 의한 양력을 얻을 수 없기 때문입니다. 로켓은 연료를 분출하는 힘만큼 운동 제3 법칙에 따라 반대 방향으로 추진력을 얻게 되는 것이랍니다. 이러한 차이는 방향을 전환할 때에도 나타납니다. 비행기가 방향을 전환할 때에는 날개의 수평 정도에 차이를 주어 방향을 전환하지만, 로켓은 이러한 방식으로 방향을 전환할 수 없으므로 주 연료의 분출 방향을 바꾸거나 선체 여러 곳에 보조 분사구를 가지고 있답니다.

 
  공기가 있어도 초가 타지 않는다?
 
  우주선 안에서는 지구에서 흔히 볼 수 있는 자연 현상이 기묘하게 변형되어 나타난다. 우리 주변의 자연현상이란 주변의 환경 조건에 의해 끊임없이 영향을 받기 때문이다. 우주선 안이 무중량 상태에 놓여 있다고 하면, 우선 중력의 크기에 해당하는 무게란 의미가 없을 것이다. 단순히 무게가 없다는 것만으로도 여러 가지 변화가 나타나는 것을 예측해 볼 수 있을 것이다.
 
  우리가 알고 있는 물리량 중에서 중량차에 의해 여러 현상이 관계되어 있는데, 대표적인 것이 비중이다. 물질의 비중차는 흔히 밀도차에 의한 현상이라고 이해하는 혼합물의 상하의 위치 관계를 자연스럽게 결정하게 된다. 예를 들어 지구에서는 기름과 물이 기름은 상층에 물은 하층에 자연스럽게 위치한다. 잘 저어 놓아도 시간이 흐르면 저절로 상하가 분리되는 것을 볼 수 있다. 그러나 이러한 비중차에 의한 상하의 위치 관계는 다른 조건이 모두 같다면 물질의 무게차에 의해 결정된다. 그러나 무중량 상태이므로 무게차가 없고, 비중차에 의한 물질의 상하 위치 관계가 사라져서 물과 기름이 상하 관계 없이 뒤섞이게 된다.
 
  또한, 액체 위에 다른 물체를 올려놓아도 힘을 가하기 전까지 물체는 액체 속으로 가라앉지 않는다. 물론 전제 조건으로 액체와 물질 사이의 인력은 무시한다는 조건이 성립한다. 공기 중에서 자연스럽게 유선형의 매끄러운 모양을 - 사실은 격렬하게 분자 운동하며 에너지를 분출한다. - 가지는 촛불도 무중량 공간의 중력 작용에 의한 상하 관계가 무너지므로 타지 못한다. 촛불이 위로 퍼져 올라가는 원리는 촛농이 열에 의해 녹으며 발생한 연료 기체가 다른 기체보다 가벼워져서 위로 상승하고 촛불의 열에 의해 연소되어 불꽃을 형성하는 것이다. 따라서 온도에 따른 비중차, 밀도차에 의한 중력의 영향이 없어지므로 기체의 대류에 의한 상승이 없고, 연료 공급이 중단되므로 불은 곧 꺼져 버리게 된다. 불꽃이 타오르기 위해서는 공기뿐만 아니라 중력도 중요한 요소인 것이다.
 
  흔히 착오를 일으키는 개념 중의 하나가 진공과 무중력(무중량)을 혼동하는 경우인데, 진공이란 기체를 비롯한 기체 상태의 물질이 존재하지 않는 공간이라고 할 수 있을 것이다. 그러나 무중력이란 물질의 존재 여부가 아닌 힘의 존재 여부에 관한 것으로 명백하게 다른 현상이다.
 
  무중력 상태에서 또다른 흥미로운 물질의 성질에 관한 현상의 예를 보면, 물방울과 같은 액체의 모양을 들 수 있다. 지구에서는 물방울 모양이 중력에 의해 찌그러지는 현상을 볼 수 있다. 풀잎 위에 떨어진 물방울은 자체의 무게가 아래쪽으로 쏠림으로 해서 표면 장력의 한계 내에서는 흩어지지는 않지만 모양이 찌그러지게 된다.
 
  그러나 무중력(무중량) 상태에서는 중력 효과가 사라지므로, 순수한 표면 장력에 의해 사방에서 일정하게 물 분자 사이의 인력이 작용하여 완전한 구와 같은 물방울이 만들어지게 된다. 공간에 물이 흩뿌려지게 되면 마치 만화 영화에서나 볼 수 있는 완전한 구형의 물방울이 공간에 떠다니는 배경에서 춤추는 모습을 실제로 연출할 수 있을 것이다.
 
  이 외에도 지표와는 다른 여러 가지 물리적, 화학적 현상이 중력의 방해 없이 지표보다는 이상적인 힘에 더 근접하여 여러 현상이 나타나는 것을 볼 수가 있는데, 한두 가지 정도 중력과 관련된 자연현상을 머릿속에 떠올려 보고, 무중력하에서는 어떻게 될지 생각해 보도록 하자.
 
Teacher's Advice
연소의 3요소는 물질이 산소와 반응하여 화학적 변화가 일어나는 조건을 말합니다. 우선 탈 수 있는 연료가 있어야 하고, 물질은 특정 온도(발화점) 이상의 조건에서만 연소 반응을 합니다. 물론 연소 자체가 산소와의 화학 반응이므로 산소도 필요하답니다. 그런데 우주선 안에서 지속적인 연료의 연소를 위해서는 이러한 조건 이외에도 적당한 중력이 필요합니다.

 
  지구와 행성, 별을 만들고 진화시키는 힘 - 만유 인력, 중력
 
  지구를 포함한 태양계 천체들은 지금으로부터 약 50억 년 전에 거대 성운이 뭉쳐져 만들어진 것으로 추측된다. 주위에서 수명을 다한 별이 폭발하면 그 충격으로 거대 성운이 수축하게 되고, 일단 수축을 시작한 성운은 자체 중력 때문에 수축 속도가 더욱 빨라지며 천천히 회전하는데, 수축이 심할수록 회전이 빨라져 성운은 중심부가 볼록하게 되고 가장자리는 얇은 원반 모양을 이룬다.
 
  한편, 성운이 수축하는 동안 열에너지가 발생하여 중심부의 온도가 높아지는데, 온도가 충분히 높아지면 물질이 집중된 중심부에서 태양이 만들어지고, 가장자리인 원반 지역에서는 크고 작은 무수한 미행성체들이 생긴다. 미행성체를 이루는 물질은 성운의 중심으로부터 거리에 따라 달라진다. 온도가 높은 원시 태양 부근에서는 암석과 철 질의 미행성체가 생성되고, 온도가 낮은 바깥쪽에는 가스와 얼음 성분의 미행성체가 생긴다. 그리고 이들 미행성체들은 원시 태양 둘레를 공전하며 서로 충돌하여 파괴되거나 뭉치면서 질량이 큰 원시 행성으로 성장한 것으로 추정된다.
 
  지금으로부터 약 46억 년 전에 탄생한 원시 지구는 그 모습이 지금과는 완전히 달랐다. 땅도 지금처럼 단단하지 않았고, 푸른 하늘과 바다도 없었다. 탄생한 지 얼마 되지 않은 지구 주위에는 태양계가 만들어질 때 함께 생기는 수많은 미행성체들이 떠돌아다니고 있었다. 미행성체들은 지구 표면으로 끊임없이 충돌하였고, 이러한 충돌 과정에서 엄청난 열이 발생하여 지구를 이루고 있던 물질이 모두 녹아 지구 내부와 표면은 액체 상태의 마그마로 변했다.
 
  지구 표면에 충돌한 미행성체들 중에는 금속으로 된 것들이 많았기 때문에 원시 지구를 이루던 마그마 속에는 무거운 금속 성분이 다량으로 포함되어 있었다. 용융 상태의 원시 지구에서 밀도가 큰 철과 니켈 등의 성분은 지구 중심을 향하여 서서히 가라앉게 되었고, 반대로 밀도가 작은 규산염 물질들은 지구 표면으로 상승하게 되었다. 그리고 오랜 시간이 지나는 동안 지구 표면은 점점 식어 지금과 같은 단단한 지각을 형성하고, 내부는 여전히 유동성을 가진 고체인 맨틀을 형성하였다. 또한, 중심으로 가라앉은 철과 니켈 성분은 중심부에서 높은 온도와 압력을 가진 핵을 이루게 되었다.
 
  - 고등 학교 『지학 Ⅰ』 (중앙교육진흥연구소)
 
  지구와 태양계 천체의 생성에 관한 내용이다. 이전에는 이러한 천체의 생성 이론에도 다양한 주장들이 존재하였다. 이전의 이론들에 대해 조사해 보고, 문제점을 상호 비교해 보자. 교과서에 과학 이론의 발달에 관한 많은 이야기들이 소개되어 있는데, 이 역시 과학 이론의 발달사와 밀접한 관계를 가진다. 또한, 이론과 가설이란 어떠한 차이가 있는지도 함께 생각해 보자.
 
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우주 공간의 이용
새로운 물질의 개발은 경제적, 사회적, 과학적 환경 조건 등 여러 가지 제약이 따른다. 새로운 물질을 개발하는 것이 경제적으로 가치가 있느냐 없느냐에 따라 개발 여부가 달려 있다고 해도 과언이 아닌 것이다. 탄소 나노 튜브와 같이 파급 효과가 큰 물질은 많은 연구 및 적극적인 지원이 이루어지고 있다. 또한, 신소재의 개발이 예상 외로 엄청난 생활의 변화를 만들어 내기도 한다. 예를 들어 반도체의 개발을 들 수 있을 것이다.
  이러한 물질 개발에 있어서 무중량 공간은 새로운 창조의 공간으로 꾸준히 연구되고 있다. 특히 현대의 과학 기술에 의해 연구되는 신소재들의 구조적 제어 수준이 분자와 원자 정도의 크기까지 연구되는 상황에서는 극소의 외부의 힘도 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다. 물론 지구 환경과 다른 곳이 무중량 공간만 있는 것은 아니다. 우주에 넓게 펼쳐져 있는 거의 완전한 진공 상태도 천연적인 조건이 될 수 있다.


 

 
Check box

제1, 2, 3 우주 속도
로켓이 지구 주변을 원운동 혹은 타원 궤도 운동을 하기 위한 속도를 제1 우주 속도라고 합니다. 또한, 지구의 중력을 벗어나 달이나 다른 행성 등으로 이동하기 위해서는 제2 우주 속도 이상이 되어야 합니다. 태양의 인력권을 벗어나 우주로 여행하기 위해서는 약 16.7km/s 이상의 속도가 되어야 하는데, 이를 제3 우주 속도라고 합니다.



비중
어떤 물질의 질량과 이와 같은 부피를 가진 표준 물질의 질량과의 비를 말한다. 표준 물질로서 고체 및 액체의 경우에는 보통 1기압, 4℃의 물을 취하고, 기체의 경우에는 0℃, 1기압하에서의 공기를 기준으로 한다. 비중은 온도 및 압력(기체의 경우)에 따라 달라지며 단위는 없다. 고체 및 액체는 그 값이 밀도와 소수점 이하 5자리까지 일치하므로, 대부분 비중과 밀도는 그 값이 같다고 생각해도 무방하다.



빅뱅(big bang) 이론
우주는 모든 물질이 한 점에 모여 일으킨 대폭발의 결과라는 천문학 이론을 말한다. 현재의 우주는 처음에 대폭발을 일으켜 그 폭발의 여파로 팽창을 계속하는 단계에 있다는 이론으로 대폭발설이라고도 한다. 이 이론에 따르면 팽창 우주는 생성되고부터 유한한 시간밖에 지나지 않았으며, 우주의 평균 밀도는 끊임없이 감소하여 현재와 같은 희박한 상태가 되었다고 한다. 1929년 허블(Edwin Powell Hubble)이 팽창하는 우주를 발견하였고, 1948년 가모(George Anthony Gamow)가 빅뱅에 의한 우주 기원론을 제창하였다. 빅뱅 우주론은 연속 창생(Continuous Creation) 우주론에 승리를 거둔 뒤에도 퀘이사(quasar)라는 수수께끼 천체가 등장하면서 한때 진위를 의심받기도 했지만 이후 여러 가지 검증을 거쳐 정설로 자리잡았다.


 
  ◎ 생각 정리하기
 
 
  [01] 몸집이 작은 동물이 몸집이 큰 동물에 쫓겨 도망칠 때 방향을 자주 바꾸는 것을 볼 수 있는데, 왜 이러한 행동을 하는지, 이러한 행동을 통해 몸집이 작은 동물이 몸집이 큰 동물로부터 탈출할 수 있는지에 대해 이야기하시오.
 
  [예시답안]
  물체의 질량은 관성의 크기에 비례하므로, 만일 몸집이 큰 동물이 몸집이 작은 동물과 같은 힘으로 곡선 운동을 한다면, 몸집이 큰 동물은 관성이 커서 등속도 운동을 하려는 성질이 더 크므로, 몸집이 작은 동물보다 더 큰 반경을 이루며 곡선 운동을 하게 되고, 경로가 일치하지 못하므로 순간적으로 몸집이 작은 동물이 큰 동물을 따돌릴 수가 있게 된다. 또한, 몸집이 큰 동물이 몸집이 작은 동물과 같은 곡선 운동을 한다면 보다 큰 힘을 필요로 하게 된다. 따라서 운동 방향을 자주 바꾸면 몸집이 큰 동물의 에너지 소비가 더 많아지고, 같은 총량의 에너지를 가지고 있다면 몸집이 큰 동물이 먼저 지치게 되므로 따돌릴 수 있을 것이다.
 
문제해결 TIP
관성의 크기가 클수록 운동의 변화가 적다. 관성의 크기가 질량이라고 하는 것과 질량은 운동 제2 법칙과도 관련되어 있다. 운동 제2 법칙에서 질량의 크기가 같은 힘을 받는 물체에 어떻게 다르게 나타나는지 생각해 본다.

 
  [02] <보기>와 같은 상황에서도 갑자기 머리카락을 위로 들어올리면 머리카락은 끊어진다. 저울로 측정한 볼링공의 무게가 0임에도 불구하고 머리카락이 끊어지는 이유가 무엇인지 말해 보시오.
 
  [보 기]
  바닥에 무거운 볼링공을 놓고 한 가닥의 머리카락으로 묶어 놓았다. 머리카락을 위로 당기면 어떻게 될까? 당연히 머리카락이 볼링공의 무게를 견디지 못하고 끊어지게 될 것이다. 그렇다면 과연 머리카락으로 무거운 볼링공을 들어올리는 것은 불가능할까?
  특별한 상황에서는 가능하다. 즉 자유 낙하하는 엘리베이터와 같은 무중량 상태에서는 가능하다. 일반적인 상황에서 머리카락이 끊어지는 것은 볼링공에 작용하는 중력, 즉 무게가 머리카락이 견딜 수 있는 장력을 넘어서기 때문이다. 그러나 자유 낙하하는 상황에서는 중력에 의한 무게가 0이 된다. 따라서 무게에 의해 머리카락에 작용하는 힘이 사라지므로, 머리카락이 끊어지지 않을 정도의 작은 힘으로 위로 당기면 서서히 볼링공이 끌려 올라오게 되는 것이다.
 
  [예시답안]
  자유 낙하하는 엘리베이터 안은 무중량 상태이므로, 볼링공의 무게는 머리카락에 작용하지 않는다. 그러나 사람이 머리카락을 통해 힘을 볼링공으로 전달하면 이 힘이 볼링공을 운동하게 한다. 운동 제2 법칙에 따라 볼링공의 질량과 움직이는 가속도의 곱은 볼링공에 가해지는 힘과 같다. 그리고 볼링공을 들어올리는 힘만큼 볼링공 역시 머리카락에 힘을 작용하게 한다. 머리카락에 의해 볼링공에 힘이 가해지면 볼링공은 자신의 질량만큼의 관성을 가지고 있으므로 순간적으로 큰 반작용을 머리카락에 가하게 된다. 물체와 무관하게 질량에 의한 힘의 상호 작용에 의해 머리카락이 끊어지게 되는 것이다.
 
문제해결 TIP
질량과 무게의 차이를 이해한다. 무게의 크기는 질량에 중력 가속도를 곱한 값이다. 물체의 무게는 가속도에 따라 다르게 나타난다. 그러나 질량은 물체의 고유한 크기로 관성의 크기를 나타내는 양이다. 무게는 상황에 따라 0이 될 수 있지만, 질량은 주변 상황에 관계 없이 항상 일정하다.
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202206

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