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[궁금한 S] 생활 속 물리현상, 원심력과 구심력의 비밀

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 물체가 원운동을 하기 위해서는 두 가지 힘인 원심력과 구심력이 필요한데요.

하지만 이 두 가지 힘의 방향은 언제나 반대로 작용한다고 합니다. 생활 속 물리 현상을 통해 알아보는 원심력과 구심력의 비밀, 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
어느덧 겨울이 지나고 따뜻한 봄이 찾아왔습니다. 아지랑이가 피어오르고 따뜻한 바람이 불어오는 봄은 나들이 가기에도 딱 좋은 시즌인데요. 다양한 봄꽃들을 쫓아 소풍을 즐기는 등 이렇게 성큼 다가온 봄을 만끽하는 방법은 정말 다양하지만, 그중에서도 놀이공원을 빼놓을 수가 없을 것 같아요. 놀이공원은 재미있는 놀이 기구를 타는 곳이기도 하지만, 과학의 원리를 이해할 수 있는 공간이기도 합니다. 무슨 말인지 아직 잘 모르시겠다고요? 그럼 <궁금한 S>와 함께 빨리 알아보도록 할게요!

의자에 앉은 채 공중으로 올라가 빙글빙글 도는 회전 그네는 수많은 어린아이들이 즐겨 타는 놀이기구 중 하나입니다.

그네를 타고 공중을 돌다 보면 하늘로 튕겨 오를 것 같은 기분이 들곤 하죠? 하지만. 튕겨 나가지 않고 계속 빙글빙글 돌 수 있는 것은 이 속에도 과학의 원리가 숨어있기 때문이랍니다. 물체가 한 점을 중심으로 원을 그리며 도는 것을, 우리는 '원운동'이라고 부릅니다.

이때 만약 원운동 하는 물체 위에 누군가 타고 있다면, 원의 중심으로부터 멀어지려고 하는 힘을 매 순간 경험하게 되는데요! 바로 이 힘을, 우리는 '원심력'이라고 부릅니다.

원심력이 발생하는 이유는 간단합니다. 물체가 원운동을 하기 위해서는, 반드시 '구심력'이라는 힘이 필요합니다. 이 구심력은 항상 원의 중심 방향으로 작용하며, 물체가 움직이는 방향을 계속해서 바꿔주는 역할을 하게 됩니다.

회전 그네 역시, 그네를 잡아주고 있는 기계 장치에서 구심력을 만들어주게 되죠. 바로 이때, 그네 속에 타고 있는 우리는 뉴턴 제1 법칙! 관성의 법칙에 의해 운동 상태가 변하지 않으려 하기 때문에, 원운동을 하는 그네로부터 바깥으로 튕겨져 나가는 것 같은 힘을 받게 됩니다.

이것이 바로 원운동에 의해서 발생하는 관성력인, 원심력의 본질인 것입니다! 이러한 원심력 덕분에, 우리는 회전 그네의 즐거움을 맛볼 수 있는 거죠.

놀이공원에서 빠질 수 없는 게 있다면 바로 먹는 즐거움인데요. 놀이공원 곳곳에 달콤한 솜사탕을 파는 모습을 본적 있으시죠? 맛있는 솜사탕이 탄생하는 비법도 역시 구심력과 원심력을 이용한 것이라고 합니다.

솜사탕 기계를 자세히 보면 정 가운데에는 구멍이 뚫려있고, 설탕을 담을 수 있는 통이 있습니다. 통의 아래에는 통의 온도를 높일 수 있는 가열장치가 있죠. 통의 온도가 점점 올라감과 동시에 빠르게 회전하게 되면 원심력에 의해 설탕들은 통의 벽 쪽으로 쏠리게 되며, 곧 따뜻해진 통의 온도에 의해 스르르 녹아 액체 상태로 변하게 됩니다.

바로 이 순간! 액체 상태의 설탕이 통의 벽에 뚫려있는 미세한 구멍 밖으로 직선을 그리며 뻗어 나가게 되면서, 차가운 공기와 만나 순식간에 식으며 아주 가는 실 모양으로 변하게 되는데요, 이러한 실들을 젓가락으로 돌돌 감으면 부드럽고 달콤한 솜사탕이 되는 것이죠. 정말 재밌죠?

원심력과는 별개로, 회전 운동을 응용한 장난감 중 하나인 팽이에서도, 재미있는 과학 원리를 찾아볼 수 있습니다. 요즘은 스마트폰 등으로 게임을 즐기는 문화가 주류를 이루고 있다면, 제가 어렸을 때만 하더라도 팽이치기가 정말 인기 있는 놀이 문화였답니다. 재미있는 것은, 가만히 있는 팽이는 혼자서는 설 수 없지만 돌고 있는 팽이는 혼자서도 설 수 있다는 사실입니다! 왜 그럴까요? 그 비밀은 바로! 팽이가 가지고 있는 회전에 숨어 있답니다.

어느 한 축을 기준으로 회전하는 모든 물체는 운동량을 가지게 됩니다. 이러한 운동량을, 우리는 '각운동량'이라고 부릅니다. 자신의 운동상태를 계속해서 유지하고자 하는 운동량의 특성 덕분에, 팽이는 계속해서 자신의 각운동량을 유지하고 싶어 하게 되고, 바로 이러한 이유가 팽이가 쓰러지지 않고 잘 돌 수 있도록 만들어주는 가장 큰 요인입니다. 하지만 바닥과의 마찰 때문에 점점 각운동량이 줄어들게 될 테고, 언젠가는 팽이도 쓰러지겠죠? 그래서 회전이 약해질 때쯤 다시 채찍을 가해 속도를 내게 하면 쓰러지지 않고 계속 돌 수 있게 되는 것이랍니다!

그런데 이러한 재미있는 요소들을 알아보다가, 한가지 기묘하고도 재미있는 부분을 찾을 수 있었는데요! 투명한 물통에 검은색의 고무줄로 스티로폼 공을 매달아 둔 뒤, 물통을 손에 쥔 채로 빙글빙글 원을 그리며 돌면, 공은 원심력에 의해 바깥쪽 벽에 붙는 모습을 볼 수 있습니다.

하지만 이 물통에 물을 채우고 이 실험을 다시 해보면 놀라운 변화가 일어나게 됩니다! 그랬더니 조금 전에는 손잡이 반대쪽으로 향하던 스티로폼 공이 이번에는 손잡이 쪽 벽에 붙게 됩니다.

마치 원심력이 거꾸로 작용하게 되는 것처럼 보이는 이 현상! 신기하지 않나요? 대체 비밀은 무엇일까요? 바로 물 때문에 만들어지는 '부력'에 있습니다.

'부력'이란 공기 또는 물과 같은 유체에 부피를 가지는 물체가 들어온 경우 유체의 무게가 힘으로 작용하여, 그 무게와 반대 방향으로 작용하는 힘을 의미합니다. 그런데 일반적으로 무게를 만드는 힘은 중력이기 때문에 보통 중력의 반대 방향인 위쪽으로 작용하게 되죠.

물론 물을 채우는 이 물통 안에서도 부력은 위로 작용합니다. 그래서 검은 고무줄을 매달아 놓아 스티로폼을 위로 올라가지 못하도록 붙잡아 둔 것이죠.

그러나 이 물통을 빙빙 회전시키게 되면 앞서 소개했던 원심력에 의한 부력이 만들어지게 되어 원심력이 작용하는 반대 방향으로 부력이 가해져 손잡이 쪽에 있는 벽면으로 밀어 올려진 것이랍니다. 거꾸로 작용하는 원심력의 비밀은 원심력이 만들어내는 부력이었다는 사실이 재미있지 않나요?

오늘은 생활 속 물리 현상을 통해 원심력과 구심력, 그리고 소소하게나마 부력에 대해, 함께 알아보았습니다! 설명해드린 예시 외에도 일상 곳곳에서 원심력과 구심력의 원리를 많이 찾아볼 수 있으니, 한 번씩 찾아보는 것도 재미있겠죠?

그럼 <궁금한 S>도 이만 인사드릴게요~ 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 사이언스 투데이 페이스북에 댓글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!
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