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[궁금한 S] 물체의 움직임은 '무엇' 때문에 발생하는 걸까?

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 과거 자연 철학자들은 물체가 어떻게 움직이는지를 연구하다가 운동의 본질인 '역학'까지 알아냈다고 하는데요.

물체의 운동에 관한 재미있는 물리현상은 무엇일지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

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

자동차 계기판의 속도, 쉬지 않고 돌아가는 전력량계는 물론, 도시의 인구증감률까지 이 모든 것을 알고 연구할 수 있는 것은 짧은 시간의 변화율을 알아내는 도구를 알아냈기 때문인데요.

이 순간의 변화를 알아내는 것이 현대세계에서는 어떤 영향력을 끼치고 있을까요? 물체는 어떻게 움직이고, 또 무엇 때문에 움직이는 걸까요?

오늘은 물체의 움직임에 관한 역사 이야기, 역학의 역사 속에서 들여다볼 수 있는 물체의 운동에 관한 이야기를 <궁금한 S>와 함께 들여다보도록 하겠습니다.

기원전 4세기경, 그리스의 7대 현인 중 한 사람이었던 자연 철학자, 아리스토텔레스는 물체의 운동을 살아있는 생명체에 유추해서 설명하려고 시도했습니다.

살아있는 생명체가 어떤 목적을 가지고 움직이는 것처럼 물체도 자신의 성질이나 경향 같은 목적을 지닌다는 의미죠.

이에 의하면 지상을 이루는 원소는 물, 불, 흙, 공기 4가지인데, 흙과 물은 지구 중심을 향해 가려는 성질을 갖고 있고, 공기와 불은 지구 중심에서 멀어지려는 성질이 창조되었을 때부터 가지고 있다고 생각했습니다.

이러한 아리스토텔레스의 생각을 '목적론적 세계관'이라고 부르는데요. 당시 고대 그리스는 사유를 통해서 본질을 찾는, 즉 생각을 통해서 우주의 진리를 습득하는 것만이 진리로 가는 유일한 길로 여겼습니다.

이런 아리스토텔레스의 생각은 고대를 거쳐 중세까지 매우 깊은 영향을 끼쳤죠.

공기가 물체의 떨어짐에 도움을 준다고 여겼던 아리스토텔레스와는 다르게 11세기경 페르시아의 철학자 이븐 시나는 공기는 오히려 물체가 움직이는 것을 방해하는 요소라고 주장했습니다.

이때를 기점으로 물체가 가지는 운동의 패기, '임페투스'라는 개념이 등장하게 됩니다.

이 임페투스 개념을 본격적으로 이용하고자 했던 14세기 프랑스의 철학자, 장 뷔리당은 임페투스 개념을 운동 현상을 설명하는데, 능동적으로 활용하기 시작했는데요.

예를 들어 대포가 포탄을 발사한 상황에서 작용하는 임페투스를 보면 이렇습니다. 처음에 포가 발사된 순간, 포의 임페투스는 중력의 방향과 진행 방향으로 형성되게 됩니다.

이 임페투스들은 시간에 따라 점점 변하게 되는데, 중력 방향의 임페투스는 점점 중력 방향 쪽으로 커지게 되며 이동 방향의 임페투스는 공기의 방해, 즉 저항에 따라 점점 작아지게 된다고 설명하면서 이런 변화가 포물선의 궤적을 만들어준다고 설명했습니다.

16세기 이후 아메리카나 아시아와의 접촉을 통해 유럽인의 시야는 크게 확대되었습니다.

갈릴레이가 망원경을 통해서 본 우주는 지금까지 생각해온 것과는 전혀 다른 세계의 별들을 보여줬고, 우주는 변하지 않는다는 전통적인 생각을 깨트렸습니다.

그래서 유럽의 지식인들은 지금까지 절대적으로 믿어왔던 모든 전통적 지식의 확실성에 회의를 품게 되었죠. 이제 모든 지식이 의심의 대상이 된 것입니다.
이것이 '방법론적 회의'입니다. 르네 데카르트 같은 17세기 프랑스 철학자가 기존의 모든 지식을 '방법론적 회의'를 재검토하려 한 것은 이 때문인데요.

수학의 공리와 같은 가장 확실해 보이는 원리 위에 지식을 세우려고 한 것이죠.

이 방식을 통해서 데카르트는 세상을 '수학'으로 표현할 때 가장 진리에 가깝다고 생각했고, 그러한 생각이 임페투스 이론과 만나게 되면서, 시간의 경과에 따라 낙하하는 물체가 얼만큼을 이동했는지에 관한 공식 s=(1/2)at²이라는 공식을 유도해내게 됩니다.


같은 시기, 자유 낙하하는 물체에 관해 심도 있게 연구하던 과학의 아버지 '갈릴레오 갈릴레이'는 데카르트가 수학적으로 유도해 낸 자유낙하 공식을 빗면을 이용한 하나의 실험을 머릿속에 그려보게 됩니다.

본래 물체는 힘을 받아 운동하게 되더라도 물체와 접촉면 사이에 발생하는 마찰력 때문에 정지하게 됩니다.

그러나 만일 이 마찰력이 하나도 존재하지 않는 공간이 있다면 어떻게 될까요?
갈릴레이는 머릿속 사고 실험에서 빗면과 공을 준비했습니다. 그리고 빗면 위에 공을 굴려보았습니다. 처음 굴러가는 방향대로 계속해서 굴러가는 공.

마찰력이 작용하지 않는 한 이 공은 영원히 등속직선운동을 계속하게 될 것이라고 생각했습니다.

갈릴레이는 이 빗면 실험을 확장해 처음 자리에 위치한 수레를 마주 보는 빗면으로 진행하도록 놓게 되면 주변으로부터 아무런 방해를 받지 않는다는 가정하에 같은 위치까지 올라갈 수 있을 것이라는 가설을 제안하게 되며, 이 빗면을 내리고 내려, 결국 바닥과 평평하도록 만들게 되면 같은 높이까지 올라갈 방법이 없는 수레는 그 위치에 도달할 때까지 무한히 앞으로 움직일 거라고 생각했습니다.

이것이 바로 그 유명한 갈릴레오 갈릴레이의 관성 사고 실험이며, 이 사고 실험은 뉴턴에 의해서 '관성의 법칙'이라고 불리는 원리로 확장되게 됩니다.

지금까지 물체가 무엇 때문에 움직이는지? 그 후보들을 따라가는 역사 이야기를 알아봤는데요. 결국, 물체는 임페투스라고 불리는 운동의 패기 때문에 움직인다는 사실을 알아봤습니다.

하지만 르네상스 때 과학적 사유가 발달하면서 천동설과 같이 과학적 증거가 일치하지 않는 이론들은 점점 의심받기 시작하였고 이 임페투스도 르네상스 시기에 활동했던 지식인들의 공격을 피할 수 없었습니다.

물체의 운동을 설명한 새로운 방식이었던 임페투스 역시 역사 속으로 자취를 감추고 말았지만, 훗날 물체의 운동 기세를 나타내는 물리량인, 운동량을 표현했던 최초의 값이었다는 점이 큰 의미가 있지 않았나 싶습니다.

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