여러 가지 힘

지구뿐 아니라 모든 물체는 자신의 무게에 비례한 만큼 다른 물체를 끌어당긴다. 다만 지구는 매우 크고 무거워, 우리가 느끼는 중력은 거의 모두 지구가 우리를 끌어당기는 힘이다.

중력의 크기를 우리는 무게(weight)라 부른다. 흔히 쓰는 '몸무게'는 곧 지구가 우리를 끌어당기는 중력의 크기를 말하는 것이다.

중요한 구분: 질량(mass)은 물체가 가진 물질의 양이고, 무게(weight)는 그 물체에 작용하는 중력의 크기이다.

· 질량 : 단위 kg. 어디서나 같다. (지구·달·우주)
· 무게 : 단위 N. 행성에 따라 다르다.

지구에서는 1 kg의 물체에 작용하는 중력이 약 9.8 N이다. 달에서는 같은 1 kg이라도 약 1.6 N만큼만 끌어당겨진다 — 달은 작고 가벼워 중력이 약하기 때문이다.

탄성(elasticity)이란, 외부 힘으로 변형되었을 때 원래 모양으로 돌아가려는 성질이다. 탄성을 가진 물체(탄성체)에는 변형되었을 때 탄성력이 발생한다. 탄성력의 방향은 변형의 반대 방향이다.

· 용수철을 늘이면 → 탄성력은 짧아지는 방향으로 작용
· 용수철을 누르면 → 탄성력은 다시 펴지는 방향으로 작용

흥미로운 사실: 탄성력의 크기는 변형의 정도에 비례한다. 용수철을 2배 늘이면, 돌아오려는 힘도 2배가 된다. 이를 훅의 법칙(Hooke's law)이라 부른다.

탄성력은 우리 주변에 매우 다양하게 응용된다 — 활시위와 화살, 트램펄린, 점프하는 운동화, 자동차 충격 흡수 장치, 침대 매트리스, 빨래집게, 클립까지 모두 탄성을 이용한다.

마찰력의 방향은 항상 운동(또는 운동하려는 방향)의 반대이다. 즉, 미는 힘이 오른쪽이라면 마찰력은 왼쪽으로 작용한다.

마찰력의 크기에 영향을 주는 요소는 두 가지이다.

① 접촉면의 거칠기: 거칠수록 마찰력이 크다. (사포 > 마룻바닥 > 빙판)
② 물체의 무게(=수직항력): 무거울수록 마찰력이 크다.

한 가지 흥미로운 점: 마찰력은 접촉면의 넓이와는 거의 무관하다. 같은 책을 옆으로 눕히든 세우든, 책상에서 받는 마찰력은 거의 같다.

마찰력은 때로 해롭게(차의 연비 저하), 때로 유익하게(우리가 걸을 수 있는 이유) 작용한다. 마찰을 줄이려고 기름을 치고 베어링을 쓰며, 마찰을 늘리려고 신발 밑창을 거칠게 한다.

부력(buoyancy)은 액체나 기체가 그 속에 잠긴 물체를 위로 떠받치는 힘이다. 항상 위 방향(중력과 반대)이다.

부력의 크기는 물체가 밀어낸 액체(기체)의 무게와 같다. 이를 아르키메데스 원리라 한다.

물체의 상태는 부력과 중력의 비교로 결정된다:

· 부력 > 중력 → 물체가 떠오른다 (헬륨 풍선)
· 부력 = 중력 → 물체가 일정 깊이에 머문다 (잠수함의 평형)
· 부력 < 중력 → 물체가 가라앉는다 (돌멩이)

강철로 만든 배가 가라앉지 않는 까닭은? 배의 내부가 비어 있어 배 전체의 평균 밀도가 물보다 작기 때문이다. 만약 배가 물로 가득 차면, 가라앉는다.

공기 중에서도 부력이 작용한다. 풍선이 떠오르는 것은 풍선 속 공기(헬륨이나 따뜻한 공기)가 주위 공기보다 가벼워, 풍선이 밀어낸 공기 무게가 풍선 전체보다 크기 때문이다.