작용 반작용 법칙 : 마그데부르크의 반구, 줄다리기 마찰력

이미지는 마그데부르크의 반구

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물리 - 마그데부르크의 반구 (Magdeburg hemispheres)

이번 시간에 다루어볼 것은 힘과 운동 단원. 즉, 물리 파트의 작용 반작용에 대한 것입니다.

작용 반작용 이해를 위해 마그데부르크의 반구 실험과 줄다리기 문제를 생각해보겠습니다.

먼저 다룰 것은 독일의 과학자인 게리케가 실험한 마그데부르크의 반구 실험인데요,

마그데부르크라는 도시에서 반구 두 개를 붙이고 공기를 빼낸 다음 그것을 양쪽에서 말이 잡아당기게 하여

진공이 얼마나 강한 힘을 가지고 있는 것인지 측정한 실험입니다.

사실, 진공은 힘이 없기에 대기압을 측정한 것이지만 대기압의 힘을 확인하게 했다는 점에서 훌륭한 실험이었습니다.

그렇다면 이 실험을 우선 자세히 살펴보고

장력과 마찰력 개념이 들어가는 줄다리기(줄 당기기) 문제에 대해서도 생각해봅시다.

 

마그데부르크의 반구 실험

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독일의 물리학자이자 발명가, 마그데부르크의 시장인 게리케(1602~1686)는 자연과학 역사에서 실험 과학이 중요함을 역설했다.

게리케는 마그데부르크 시장으로 있으며 진공 실험을 진행했다.
(진공의 존재는 이탈리아 과학자인 토리첼리에 의해 발견되었습니다.)

마그데부르크의 진공 실험 목적은 기압의 존재를 확인하는 것이었다.
게리케는 지름이 35cm인 두 개의 금속 반구를 맞대고
직접 만든 진공 펌프를 이용해 그 속의 공기를 빼냈다.
진공에 붙은 두 금속 반구는 양쪽에 말 8마리씩 총 말 16마리가 끌어야 뗄 수 있었다.

이는, 공기를 빼내기 전 내부 공기와 외부 공기의 압력이 같아 두 개의 반구가 잘 떨어진 반면,
공기를 빼낸 후에는 외부 공기의 압력이 높아 두 반구가 잘 떨어지지 않았던 것이라고 볼 수 있다.

이 실험은 반구의 한쪽을 벽에 고정시키고 말 8마리로 당기는 것과 같은 실험이라고 볼 수 있는데
다시 말해 반구에 작용한 힘은 말 16마리가 아닌, 말 8마리의 힘이라고 볼 수 있다.
(벽이 말 8마리를 대체하여 반작용을 하기 때문입니다.)

당시 게리케는 작용 반작용 법칙을 몰랐고 뉴턴 운동 법칙이 발표되지 않았던 시대였다.
그래서 게리케를 비롯한 이 시대 사람들은 이것이 말 16마리의 힘이 작용한 것이라고 생각했다.

이 실험은 다음과 같은 의의가 있다.
- 대기압에 의한 진공의 강력한 힘을 보여 줬다는 것
(엄밀히 대기압의 힘이라고 볼 수 있습니다. 진공은 아무 힘이 없기 때문이죠.)
- 실험 과학의 중요성을 드러냈다는 것

* 실험 과학은 일정한 조건 아래서 변화를 일으키고 그 현상을 관찰하고 측정하는 방법을 주로 사용하여 법칙을 찾아내는 과학을 의미합니다.

* 작용 반작용 법칙은 뉴턴 운동 법칙의 제3법칙으로 물체 A가 물체 B에 힘을 가하면 물체 B가 물체 A에게 크기가 같은 힘을 반대 방향에서 가한다는 것입니다.

 

줄다리기 문제 생각하기 (장력 개념)

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여러분께서 생각하시면 좋을 질문을 던져보겠습니다.

100N의 힘이 작용하면 끊어지는 줄이 있다.
이 줄을 양쪽에서 두 사람이 각각 50N의 힘으로 반대 방향으로 잡아당길 때와
줄을 기둥에 묶어 놓고 한 사람이 100N의 힘을 작용할 때 줄이 끊어지는 경우는?

→ 줄을 기둥에 묶어 놓고 한 사람이 100N의 힘을 작용할 때 줄이 끊어진다. 작용 반작용에 의해 줄의 장력은 한 사람이 100N으로 당기면 기둥 역시 100N으로 당겨 줄에 걸린 장력이 100N이므로 끊어진다.
그러나 양쪽에서 두 사람이 각각 50N의 힘으로 반대 방향으로 잡아당길 때 줄에 걸린 장력은 50N으로 끊어지지 않는다.

 

그렇다면 또 다른 질문을 던져보겠습니다.

힘이 센 사람과 잘 미끄러지지 않는 신발을 신은 사람이 얼음판 위에서 줄다리기를 하면 누가 이길까요?

 

이해하기 어려운 점이 있으면 과제헬퍼 질문 !

 

줄다리기에서 승리하는 물리 법칙 ★★

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줄다리기에서 사용되는 물리 법칙은 다음 두 가지입니다.

 

1. 작용 반작용

2. 마찰력

 

줄다리기 시합에서 승리하기 위해서는 가하는 힘보다 버티는 힘이 중요합니다.

왜냐하면 우리 반이 큰 힘으로 줄을 잡아당겨봐야 반작용에 의해 상대방 쪽에서도 동일한 크기의 힘을 얻기 때문입니다.

즉, 줄에 걸린 힘인 장력은 우리 반이나 상대방 반이나 동일합니다.

그래서 버티는 힘인 마찰력이 중요한 것이죠.

마찰력을 키우는 것이 줄다리기 시합에서 승리하는 결정적인 요인입니다. (줄다리기는 마찰력의 싸움!)

한편, 마찰력은 무게와 관련이 있어 무게가 많이 나가는 쪽이 유리한 측면도 있습니다.

 

앞의 질문에 대한 답은 잘 미끄러지지 않아서 마찰력이 큰 신발을 신은 사람이 승리한다는 것을 알 수 있겠네요! :)