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[궁금한S] 빙글빙글, 돌림힘의 원리

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. '돌림힘'이란 물체의 회전 상태에 변화를 일으키는 힘인데요.

이런 돌림힘은 일상 속에서도 다양하게 만나볼 수 있다고 합니다. 돌림힘의 원리는 무엇일지, 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

출근길이나 퇴근길은 물론 친구를 만날 때나 자기 전에도 사용하는 스마트폰은 이제 일상의 필수품이 되었습니다. 이렇게 우리가 익숙하게 들고 다니다 보니까 스마트폰을 떨어트릴 확률도 높은데요. 그런데 여러분, 스마트폰을 떨어트릴 때를 잘 보면, 대부분 액정 쪽으로 떨어지는 경우가 많지 않으신가요?

조마조마한 마음으로 스마트폰을 확인한 순간, 액정이 파사삭 부서진 모습을 보면 정말 가슴이 찢어지곤 합니다.

그저 단순히 운이 없었던 것일까요? 하지만 스마트폰이 떨어지는 것에도 과학적인 이유가 숨어 있다고 하는데요. 그 이유가 무엇인지, 궁금한 S와 함께 알아보도록 하겠습니다!

한 휴대전화 제조회사는 독특하고 쓸모없는 연구를 한 과학자에게 수여하는 이그 노벨상 수상자인 로버트 매튜스 교수에게 스마트폰이 떨어질 때 액정으로 떨어지는 이유에 대해 의뢰했습니다. 매튜스 교수에 따르면, 사람들은 스마트폰을 사용할 때 한 손으로 느슨하게 쥐는 것이 일반적이며, 이때 사용자의 손가락이 무게중심보다 아래쪽에 위치해 떨어질 위험이 큰 상태가 된다고 분석했습니다. 이 상태에서 스마트폰을 손에서 놓게 되면 스마트폰이 회전하게 됩니다. 이때 스마트폰을 회전시키는 데 사용된 힘이, 바로 '돌림힘'이라는 힘입니다.

돌림힘? 이건 대체 무엇일까요?

돌림힘에 대해서는 생소할 수 있는 사람들도, '토크'라는 이름은 들어보셨을 거라고 생각합니다. 주로 차량 엔진에서 자주 쓰이는 이 용어는 어떤 물체를 점점 빠르게 또는 느리게 회전하도록 만들어주는 힘을 말합니다. 이 힘은 회전하는 축으로부터 떨어진 거리 만큼에 수직으로 가해지는 힘을 곱한 만큼의 크기로 정의되고 있습니다.

재미있는 것은, 일정한 속도로 회전하는 대상, 예를 들어 지구의 경우는 자전 속도가 거의 일정하기 때문에 토크의 크기가 0이라고 할 수 있고, 마찬가지로 회전하지 않는 대상 또한 토크의 합이 0이라고 할 수 있습니다.

스마트폰을 밑에서 받친다고 가정해봅시다. 만약 무게중심인 중간에서 스마트폰을 받치게 된다면, 양쪽 끝과 회전축 사이의 거리가 같고 작용하는 중력이 같아서 양쪽의 돌림힘의 크기가 같게 됩니다. 따라서 떨어지지 않고 균형을 이루게 되는 것이죠. 그러나 무게중심으로부터 떨어진 곳에서 스마트폰을 받치는 경우, 무게중심에 발생하는 중력이 회전축으로부터 생긴 거리에 작용해 토크가 발생하게 됩니다. 이때 스마트폰은 회전하며 땅으로 떨어지게 되죠. 그런데 왜 하필, 스마트폰의 액정 방향이 땅에 닿아서 깨질 확률이 더 높은 것일까요? 떨어질 때 다시 한 바퀴를 돌아, 뒷면으로 돌아오는 것은 불가능할까요? 이것에 대한 답은 매튜스의 분석에서 찾을 수 있습니다.

매튜스는 받쳤던 손가락 지점에서 회전하며 추락하는 스마트폰의 회전속도에 대한 공식을 세웠습니다. 세운 공식에 따라 계산한 결과, 손에서 스마트폰이 회전하면서 추락할 경우 바닥을 향했던 액정이 다시 빠르게 회전하기는 힘들다는 결론을 내렸습니다. 그리고 액정 면으로 떨어질 확률은 뒷면으로 떨어질 확률보다 높게 나왔습니다. 물론 여러 변수에 의해서 뒷면으로 떨어질 수는 있으나 액정이 바닥과 부딪칠 확률이 과학적으로 더 많다는 것이죠.

이런 돌림힘은 손수레에서도 볼 수 있는데요. 수레 손잡이를 그대로 놓으면 수레는 앞 또는 뒤로 고꾸라지게 됩니다. 바퀴를 기준으로 회전하여 고꾸라지게 되는 것이죠. 다시 말해 수레의 회전축은 바퀴가 되는 것입니다.

짐을 뒤쪽에 싣게 되면, 짐이 축과 매우 가까운 거리에 있게 되어, 짐의 무게에 의한 토크가 따로 발생하지 않습니다.

하지만 짐을 앞쪽에 싣게 되면, 그러니까 회전축으로부터 먼 거리에 짐을 놓게 되면 수레를 잡고 있는 사람은 수레가 가만히 있도록 해줘야 하므로 의도치 않게 토크를 0으로 만들어주는 힘을 가해줘야 합니다. 즉, 수레를 아래 방향으로 누르면서 앞으로 밀어야 한다는 의미이죠. 쓸데없는 힘을 더 가해줘야 한다는 의미입니다. 그래서 짐을 앞으로 놓게 되면 수레를 끌기가 더 힘이 든 것이죠.

돌림힘의 원리는 이외에도 일상 곳곳에서 발견할 수 있어요. 망치로 못을 뽑을 때 받침을 대고 뽑으면 못이 더 잘 뽑히는 경우를 본 적 있으실 거예요. 그 이유는 무엇일까요? 비밀은 못이 받는 힘의 방향에 있어요. 박힌 못을 뺄 때 받침이 없는 상태로 빼면 못에 가해지는 힘은 대각선 방향으로 작용하게 됩니다.

그러면 의도치 않은 나무로부터 마찰력이 증가하게 되죠. 그런데 만약 받침을 깔고 못을 빼게 되면 못이 받는 힘이 이번에는 대각선보다 약간 안쪽으로 기울어져 못에 박힌 방향과 평행에 가깝게 작용하게 됩니다. 이 경우가 앞선 경우보다 마찰을 덜 받으면서 동시에 더 큰 힘으로 못을 뺄 수 있도록 만들어져서 못을 빼기가 더 쉬워지는 것이랍니다. 이제 여러분들도 벽에 못을 뺄 때는 받침을 꼭 대주는 것! 기억하세요!

설명해 드린 몇 가지 예시 외에도 돌림힘은 일상 속에서 다양하게 쓰이고 있습니다. 스패너를 이용해 볼트를 조이거나 풀 때, 문을 여닫을 때 경첩에서의 회전운동, 문의 손잡이 등 모두 돌림힘의 원리를 이용한 것들이죠.

이렇게 재미있는 과학 원리를 알고 있다면, 일상 속에서도 똑똑하게 활용할 수 있다는 것! 정말 재밌지 않나요? 그럼 <궁금한 S>는 이만 인사드릴게요~ 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 사이언스 투데이 페이스북에 댓글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!
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