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[궁금한S] 과학으로 풀어보는 운동의 원리

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 '궁금한 S' 시간입니다.

낮과 밤이 바뀌고, 자동차나 기차가 움직이는 모든 것을 물리학에서는 '운동'이라고 표현합니다.

시간에 따라 물체의 위치가 변한다는 건데요.

그래서 세상에서 벌어지는 현상 대부분을 이 '운동'으로 설명할 수 있다고 합니다.

과학으로 풀어보는 운동의 원리에 대해 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학유튜버]
물리는 우리가 의식하고 있지 않을 뿐 일상생활과 밀접한 관계를 맺은 과목입니다.

그중에서도 '운동'은 우리 세계가 어떻게 작동하는지 알아볼 수 있는 법칙인데요. 운동을 나타내기 위해서는 크게 세 가지 도구가 필요합니다.

먼저 변위에 대해 알아보도록 할게요. 변위는 말 그대로 위치의 변화를 뜻인데요.

예를 들어 A라는 위치에 컵 하나를 놓고 B라는 위치로 가져간다고 생각해볼게요. A라는 위치에 놓고 나서 "나중에 이거 B에 갖다 놔"라고 다른 사람에게 제가 시켰다고 해볼게요.

그 후, B에 놓여진 컵을 봤다면 우리는 'A에 놓여져 있던 컵이 B로 갔다'고 볼 수 있겠죠. 이걸 우리는 변위라고 합니다.

변위는 처음 위치에서 나중 위치로 변했다는 값만 알 수 있을 때 쓸 수 있는 개념입니다. 얼마만큼 떨어졌냐만 중요한 거예요.

재미있는 것은 방향도 알려준다는 거예요. 예를들어서 A 위치에 있던 컵이 B 위치로 옮겨졌다면 A 위치부터 B 위치까지의 방향을 나타낼 수 있는 건데요. 어떻게 움직였는지는 모르지만 '남동 방향으로 이동했네, 남서방향으로 이동했네'라고 알 수 있는 거죠.

속도는 어떤 물체가 이동할 때 어딘가로 이동하고 있는지에 대한 방향까지 나타내주는 값입니다. 여기서 주의해야 할 게 속력과 속도는 약간 다르다는 것입니다.

속력은 물체가 얼마나 빠르게 이동하는지를 나타내는 값인데요. 속도는 방향까지 나타내주는 값입니다. 속도는 크게 두 가지 종류인 평균속도와 순간속도로 나뉩니다.

물체는 A라는 시작점에 있습니다. 어떤 특정한 속도를 가져서 B라는 끝점에 도달할 거예요. A라는 시작점에서 물체를 보고 눈을 감습니다. 그럼 물체가 어떤 방향으로, 어떤 진로를 따라가든 A에서 B라는 곳으로 이동하게 되죠. 이때까지 걸린 시간이 4초라고 해볼게요.

그리고 A에서 B까지의 거리를 4m라고 해볼게요. 이 시작점과 끝점이 떨어져 있는지에 대한 정보와 시작점부터 끝점까지 도달하는 시간이 얼마였는지? 이 두 가지에 대한 정보만 있으면 물체가 A라는 곳에서 B까지 어떻게 도달하는지에 대해 알 수 있겠죠.

이게 바로 평균속도의 개념입니다. 물체가 처음 시작점에서 끝점까지 어떻게 이동했는지 관심이 없고, 처음 시작점과 끝점까지의 그 방향으로 몇 초 동안 움직였는지만 나타내는 것이 평균 속도이죠. 그렇기 때문에 평균속도는 물체가 어떻게 움직이는지 그 물체가 어떻게 운동을 변화시키는지에 대한 값은 알 수 없습니다.

왜 알 수 없었냐면 A에서 B까지 물체가 움직이는 동안에 우리가 눈을 감고 뜨는 시간이 굉장히 길었기 때문인데요. 그 긴 시간 동안 물체가 어떻게 움직였는지 알 수가 없었던 것이죠.

그럼 이 눈을 감았다가 뜨는 시간을 거의 0에 가깝게 만든다면 그 물체가 어떻게 변하는지 알 수 있지 않을까요?

처음부터 끝 지점까지 있는 모든 순간 속에서 이 물체가 어떻게 움직이고 어느 방향, 어떤 빠르기로 움직이는지 알 수 있는 것이 바로 순간속도의 개념입니다.

즉 물체가 어디서 어떻게 즉각적으로 움직이는지 실시간으로 알 수 있게 된 것입니다. 가속도란 물체의 속도가 점점 빨라지거나 점점 느려지는 현상입니다.

가속도를 나타내는 단위는 m/s로 속도가 시간에 따라 어떻게 변하는지, 속도라는 단위가 시간이라는 단위에 한 번 더 나뉘게 되어있어요. 가속도도 가속의 양상을 볼 수 있는 평균가속도와 순간순간의 가속도를 알 수 있는 순간 가속도로 나타낼 수 있어요.

A라는 곳에 물체가 있었을 때 A에서는 2m/s로 이동하고 있었는데, 눈을 감습니다. B라는 곳에서 눈을 떴더니 물체가 4m/s로 움직임이 빨라졌던 것이죠. 그때까지 걸렸던 시간이 2초였습니다.

A라는 곳에서 B라는 곳으로 이동하는 동안에 물체가 받았던 가속도는 1㎨이라는 것이죠. 이를 우리는 평균가속도라고 합니다. 처음과 나중 값만 아는 것이죠.

그러나 과학자들은 중간값이 어떻게 변했는지 알고 싶어 했고, 그래서 등장한 것이 순간 가속도입니다. 눈 감는 시간을 0에 가깝게 만들어버린 것이죠. 순간 간격이 짧아지면 한 점에서의 가속도가 어떻게 변하는지 알 수 있겠죠. 이게 바로 순간 가속도의 개념입니다.

오늘 '궁금한 S'에서는 물리학에서의 운동이 무엇인지에 대해 알아봤는데요. 물리학은 자연을 이해하는 방법의 하나로 물체의 운동을 통해 자연의 이치를 이해하는 학문이라고 볼 수 있을 것 같네요.

그럼 '궁금한 S'는 여기서 인사드릴게요. 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 유튜브에 사이언스 투데이를 검색해주세요. 이상 궁금한 S였습니다.
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