중력의 영향으로 물체의 속력 매우 빠르게 변해
사람 감각으로 떨어지는 물체 정확한 관찰 어려워
물체 위치·속력·빠르기 이용해 물체운동 시간 예측

올림픽 경기에서 멋진 묘기를 보이며 물에 뛰어드는 다이빙 경기를 본 적 있나요? 흔히 다이빙을 2초의 예술이라고 하는데 그 까닭은 다이빙대에서 점프하여 물에 도달하는 순간이 2초 정도로 매우 짧기 때문이죠.
다이빙 선수는 낙하하는 동안 동작을 많이 반복할수록 높은 점수를 받지만 자칫하면 묘기가 끝나기 전에 물에 닿게 되므로 점프 직전 유난히 심호흡에 집중하는 종목이기도 하답니다.
또한 테니스 경기에서도 서브된 공을 받기까지 아주 짧은 시간이 걸리는 것을 볼 수 있습니다.
테니스공은 서브되자마자 중력의 영향을 받게 되는데 서브될 때 공의 높이는 3m가 안 되기 때문에 공을 수평으로 서브를 하더라도 땅에 닿기까지 불과 0.8초 정도밖에 걸리지 않게 된답니다.
서브를 받는 선수는 불과 0.8초 안에 공을 치기 위해 반응을 해야 하는 것이죠.
이 때문에 다이빙 선수와 테니스 선수는 시간과의 싸움을 벌인다고 해도 지나친 말이 아니랍니다.

물체가 떨어지기 시작하는 순간과 땅에 닿는 순간 사이에는 무슨 일이 벌어지는 것일까요? 속력은 얼마나 빨라지는 것일까요?
처음부터 갑자기 빨라지는 것일까요 아니면 떨어지는 내내 조금씩 빨라지는 것일까요?
떨어지는 물체의 운동은 우리가 주변에서 쉽게 볼 수 있는 현상이지만 그 운동 법칙을 정확하게 알아내기는 쉽지 않습니다. 중력의 영향으로 물체의 속력은 매우 빠르게 변하기 때문에 사람의 감각만으로는 떨어지는 물체의 움직임을 정확히 관찰하기 어렵습니다.
떨어지는 물체의 속도가 얼마나 빠른지 직접 체험해 볼 수 있습니다.
그림과 같이 2명씩 짝을 지어서 한 사람은 10㎝ 자의 한쪽 끝을 잡고 다른 한 사람은 반대쪽 끝에서 손가락을 벌려 잡을 준비를 합니다.
종이가 떨어지는 순간을 보고 손가락만을 움직여 10㎝ 자를 잡아보세요. 실제로 시도해 보면 사 람의 반응 속도에 견주어 떨어지는 자가 더 빨리 이동하기 때문에 쉽게 잡을 수 없을 것이랍니다.
또한 공기의 저항은 떨어지는 물체의 운동을 제대로 이해하는데 어려움을 줍니다. 교과서와 교과서보다 작은 종이 1장을 같은 높이에서 떨어트려 보세요. 어떤 것이 먼저 떨어질까요?
이번에는 교과서 위에 종이를 올려놓고 같은 높이에서 떨어트려 보세요. 이번에는 어떻게 될까요? 같은 종이인데 공기의 저항 차이에 따라 떨어지는 시간과 모습이 다른 것을 확인할 수 있답니다.
만약 공기가 없는 진공 상태라면 깃털이나 볼링공과 물체의 종류에 상관없이 같은 운동 법칙이 적용됩니다. 이렇게 공기와 같은 저항이 없을 때 떨어지는 물체의 운동을 ‘자유 낙하 운동’이라고 합니다.
이러한 자유 낙하 운동을 하는 물체의 위치, 속력, 빠르기를 이용하여 물체의 시간에 따른 물체의 운동을 설명하고 예측할 수 있습니다.
<출처>이 이야기는 한국발명진흥회에서 발간한 “과학속 발명하기”의 도움을 받아 만들어졌습니다.
이한민 고성 초계종합교육센터겸임교사