종이접기 개구리가 물리 교재로!? ‘뿅!’ 속에 숨은 에너지 변환의 비밀

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 곧 실험이죠.

종이 한 장이 마치 생명을 얻은 것처럼 “뿅!”하고 뛰어오릅니다. 어릴 때 누구나 한 번쯤 만들어 봤을 법한 그 ‘종이접기 개구리’. 며칠 전, 오랜만에 아이와 함께 만들어 봤어요.

만드는 방법은 생각보다 간단하지만, 결코 만만히 볼 수 없습니다. 이 사이트에 자세히 소개되어 있습니다. 특히 마지막 ‘엉덩이’ 부분! 이 부분을 단단히 접어 ‘용수철(스프링)’을 만드는 것이 개구리의 점프력을 결정짓는 가장 중요한 포인트입니다.

아이의 작은 손가락으로는 힘이 제대로 들어가지 않아 “잘 안 뛰어!”하며 끙끙댑니다. 어른이 조금 도와서 종이의 탄성을 최대한으로 살릴 수 있도록 힘을 줘서 접은 선을 만듭니다. 초등학교 4학년 정도(고학년)가 되면 혼자서도 멋진 ‘스포츠맨 개구리’를 만들 수 있게 될지도 모르겠네요.

자, 완성입니다!

손가락으로 개구리의 엉덩이를 눌렀다가, 살짝 놓습니다.

뿅! 하고 뛰어오르는 소리에 자신도 모르게 “와아~!” 하는 탄성이 나옵니다. 이 단순한 움직임이 아이들에게는 최고의 장난감이 되죠. 그리고 과학 교사의 피가 끓어오르는 순간도 바로 이때입니다. 이 “뿅!” 하는 점프 안에는 물리학의 아주 중요한 개념이 담겨있답니다.

개구리가 점프하는 힘은 어디에서? 마법의 정체 ‘탄성 에너지’

개구리가 점프하는 원리는 엉덩이에 숨겨진 ‘용수철(스프링)’입니다. 손가락으로 개구리 엉덩이를 꾸욱 누릅니다. 이때 우리는 종이(용수철)에 대해 ‘일’을 하는 셈입니다. 종이는 ‘원래대로 돌아가고 싶어!’라며 강하게 반발하려고 하겠죠? 바로 이, 변형된 물체가 원래 상태로 돌아가려고 할 때 축적하고 있는 에너지를 물리학 세계에서는 **’탄성 에너지(彈性-)’**라고 부릅니다. 활시위를 당긴 상태나, 찌그러뜨린 용수철이 가지고 있는 에너지와 같은 것이죠.

그리고 누르고 있던 손가락을 스르륵 미끄러뜨리며 놓으면… 해방의 순간입니다!

축적되어 있던 ‘탄성 에너지’는 개구리를 앞으로, 위로 밀어 올리는 힘으로 바뀝니다. 즉, 움직임의 에너지인 **’운동 에너지’**로 한순간에 전환되는 것입니다!

에너지는 일곱 번 변신! 개구리의 점프를 따라가 봅시다

개구리가 튀어나가서 착지할 때까지, 에너지는 계속해서 모습을 바꿔 나갑니다. 마치 릴레이 경주의 바통 터치처럼요. 이 에너지의 여정을 함께 따라가 봅시다.

점프 직전 (손가락으로 누를 때) 손가락으로 눌린 개구리는 **’탄성 에너지’**를 최대로 모으고 있습니다. (위치 에너지도 조금 있지만, 여기서는 탄성 에너지가 주인공입니다)

점프의 순간 (손을 놓을 때) ‘탄성 에너지’가 한꺼번에 해방되어 개구리를 움직이는 **’운동 에너지’**로 전환됩니다! 개구리는 가장 빠른 속도로 튀어나갑니다.

상승 중 (공중으로) 개구리는 위로 계속 올라가지만, 점점 속도가 느려지죠. 이것은 지구의 중력에 거스르고 있기 때문입니다. 이때 ‘운동 에너지’는 높은 곳에 있는 물체가 가지는 **’위치 에너지’**로 모습을 바꿉니다.

최고점 점프의 정점. 개구리가 잠시 멈추는(것처럼 보이는) 순간입니다. 여기서는 속도(운동 에너지)가 가장 작아지고, 모아둔 에너지의 대부분이 ‘위치 에너지’가 되어 있습니다.

낙하 중 이번에는 ‘위치 에너지’를 다시 ‘운동 에너지’로 전환하면서, 중력에 따라 떨어집니다. 점점 빨라집니다.

착지 (골인) “탁!” 하는 소리와 함께 착지. 가지고 있던 운동 에너지는 최종적으로 ‘소리 에너지’나, 바닥과 개구리 자신과의 마찰에 의한 ‘열 에너지’로 바뀌면서 이번 에너지의 여정은 막을 내립니다.

이처럼 에너지는 **’탄성 에너지’ → ‘운동 에너지’ → ‘위치 에너지’ → ‘운동 에너지’ → ‘소리/열 에너지’**와 같이 계속해서 모습을 바꿉니다. 하지만 그 총량은 (공기 저항 등을 무시한다면) 변하지 않습니다. 이것이 바로 ‘에너지 보존의 법칙’이라는 생각입니다.

단 한 장의 종이접기가 가르쳐주는, 장대한 에너지 이야기. 여러분도 개구리를 날려볼 때, 꼭 이 ‘에너지의 변화’를 느껴보세요. 평소의 놀이가 훨씬 더 흥미롭게 보일 겁니다!

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