당신의 직관은 틀렸을까? 작용·반작용 법칙 완전 해설! (직관적으로 헷갈리는 사례)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.
작용 반작용의 법칙: 코끼리와 고릴라의 씨름 대결로 생각해보기!
오늘은 여러분께 ‘힘’에 관한 재미있는 퀴즈를 하나 내볼까 합니다. 한번 상상해보세요. 만약 거대한 코끼리와 힘이 넘치는 고릴라가 씨름 대결을 펼친다면 어떻게 될까요? 쿵! 하고 부딪히고, 코끼리가 고릴라를 힘껏 밀어붙이는 장면을 떠올려봅시다.
이때, 코끼리가 고릴라를 미는 힘과 고릴라가 코끼리를 밀어내는 힘 중에서 어느 쪽이 더 클까요?
“에이, 당연히 코끼리가 더 힘이 세니까 코끼리가 미는 힘이 더 크지 않겠어?”
많은 분들이 직감적으로 이렇게 생각하실 겁니다. 하지만 잠깐만요! 여기에는 우리가 일상생활에서 쉽게 의식하지 못하고, 또 많은 사람들이 헷갈려 하는 물리학의 재미있는 함정이 숨어 있습니다. 바로 오늘 다룰 주제인 **’작용 반작용의 법칙’**입니다.
‘작용 반작용의 법칙’이란?
결론부터 말하자면, 코끼리가 고릴라를 미는 힘과 고릴라가 코끼리를 밀어내는 힘은 항상 같은 크기입니다!
놀라셨나요? 이것이 바로 유명한 뉴턴의 제3법칙, 즉 **’작용 반작용의 법칙’**이라 불리는 것입니다.
이 법칙은 다음과 같이 정의됩니다.
“물체 A가 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B는 물체 A에 같은 크기로 반대 방향의 힘을 가한다.”
쉽게 말해, “밀면 밀려나고”, “당기면 다시 당겨지는” 것입니다. 벽을 밀면 벽도 우리를 밀어내고, 지구가 우리를 중력으로 잡아당기면 우리도 지구를 같은 힘으로 잡아당기고 있는 거죠(물론, 질량 차이가 엄청나서 지구는 꼼짝도 하지 않지만요!).
코끼리와 고릴라의 씨름 예시로 돌아가 봅시다. 코끼리가 고릴라에게 ‘작용’으로 힘을 가하면, 고릴라는 코끼리에게 완전히 똑같은 크기의 ‘반작용’으로 힘을 되돌려주는 겁니다.
그렇다면 왜 코끼리는 앞으로 가고 고릴라는 뒤로 밀릴까?
“아니, 선생님, 그렇다면 코끼리도 고릴라도 움직이지 않아야 하는 거 아닌가요? 실제로는 코끼리가 고릴라를 밀어서 앞으로 나아가고, 고릴라는 뒤로 밀려나잖아요?”
아주 좋은 질문입니다! 여기서 많은 사람들이 헷갈리는 것이 바로 **’작용 반작용의 법칙’**과 **’힘의 평형’**을 혼동하는 것입니다.
- 작용 반작용의 법칙: 서로 다른 물체 사이에 작용하는 ‘쌍을 이루는 힘’에 대해 설명합니다. 코끼리가 고릴라에게 가하는 힘과 고릴라가 코끼리에게 가하는 힘, 이 두 힘이 작용 반작용 관계에 있습니다.
- 힘의 평형: 하나의 물체에 작용하는 여러 힘들이 서로 상쇄되어 물체의 운동 상태가 변하지 않는(정지해 있거나, 등속 직선 운동을 하는) 상태를 말합니다.
코끼리가 앞으로 움직이는 이유는, 코끼리에게 작용하는 힘, 즉 땅과 코끼리 발 사이의 마찰력이 고릴라에게 밀려나는 힘보다 크기 때문입니다. 코끼리는 그 거대한 몸과 발로 땅을 힘껏 차서 큰 마찰력을 만들어내고, 그 힘으로 고릴라의 반작용의 힘을 이겨내고 앞으로 나아갈 수 있는 거죠.
반면에 고릴라가 뒤로 밀려나는 이유는, 고릴라에게 작용하는 땅과 고릴라 발 사이의 마찰력이 코끼리에게 밀리는 힘(작용력)보다 작기 때문입니다. 코끼리에게 밀리는 힘에 비해 고릴라 자신의 마찰력으로는 버티지 못하고 결국 뒤로 밀려나게 되는 것입니다.
일상 속에서 생각해보는 작용 반작용
작용 반작용의 법칙은 우리 주변에 넘쳐납니다.
- 로켓 추진: 연소 가스를 뒤로 분출하는 ‘작용’에 의해, 로켓은 앞으로 나아가는 ‘반작용’의 힘을 받습니다.
- 걸을 때: 땅을 뒤로 차는 ‘작용’에 의해, 땅으로부터 앞으로 나아가는 ‘반작용’의 힘을 받습니다.
- 총 발사: 총알을 앞으로 쏘는 ‘작용’에 의해, 총은 뒤로 반동(리코일)으로서 ‘반작용’의 힘을 받습니다.
어떠셨나요? 평범한 일상 현상 속에 이렇게나 물리학의 법칙이 숨어 있다니, 왠지 모르게 설레지 않나요?
이번 코끼리와 고릴라 씨름 문제는 작용 반작용의 법칙과 힘의 평형이라는, 물리학의 기본적이면서도 심오한 개념을 이해하는 데 아주 좋은 문제였다고 생각합니다. 오늘 배운 내용을 활용해서 주변의 ‘힘’에 대해 다시 한번 곰곰이 살펴보세요!
이 문제는 일본 대학 입시 공통 시험에도 같은 방식으로 출제된 적이 있습니다.
문의 및 요청에 관하여
과학의 신비함과 재미를 더 가까이! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리해두었습니다. 여러가지 검색해보세요!
・운영자 쿠와코 켄에 대해서는 여기
・각종 요청 (집필, 강연, 실험 교실, TV 자문 및 출연 등)은 여기
・새 글 소식은 X에서 확인하세요!
과학 꿀팁 채널에서 실험 영상을 올리고 있습니다!
