보이지 않는 힘을 드러내다! 힘 센서로 보는 작용·반작용의 거울 세계

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험입니다.

“힘이 눈에 보인다면 얼마나 좋을까?” 과학 수업을 듣거나 가르칠 때 이런 생각을 해본 적 없으신가요? 물리 세계에서 ‘힘’은 모든 것의 기본이지만, 눈에 보이지 않기 때문에 머릿속으로만 상상하는 것이 무척 어렵습니다. 특히 중학생들에게 역학은 첫 번째 커다란 벽이 되곤 하죠.

이런 ‘보이지 않는 세계’를 디지털 기술로 선명하게 비춰주는 것이 바로 센서 실험 기기입니다. “설정이 어려울 것 같아”, “비싸서 엄두가 안 나”라며 멀리하기 쉽지만, 교사의 시연용으로 단 하나만 있어도 수업의 설득력은 드라마틱하게 달라집니다. 오늘은 제가 애용하는 나리카의 ‘이지센스’와 ‘힘 센서’를 사용해 물리학의 중요한 원칙인 ‘작용 반작용의 법칙’을 시각화하는 실험을 소개합니다.

보이지 않는 ‘힘’을 시각화하다! 마법의 센서 ‘힘 센서’

물리 이해도를 결정짓는 핵심 포인트는 힘을 ‘벡터(방향과 크기)’로 파악할 수 있느냐입니다. 이를 도와주는 것이 바로 힘 센서입니다.

눈으로 보았을 때 가장 직관적인 힘의 법칙이라면 역시 작용 반작용의 법칙이겠죠. “벽을 때리면 벽도 나를 똑같은 힘으로 때린다”는 바로 그 원리입니다. 머리로는 이해해도, 실제로 같은 세기의 힘이 반대 방향으로 걸리는 순간을 포착하기란 쉽지 않습니다. 이번 실험에서는 센서를 두 개 사용하여, 하나는 플러스(+) 방향, 다른 하나는 마이너스(-) 방향으로 그래프가 움직이도록 설정해 거울을 보는 듯한 힘의 움직임을 시각화해 보겠습니다.

과학 레시피: 작용 반작용을 직접 목격하자

준비물

이지센스, 힘 센서 2개, Windows PC, 초음파 센서, 역학 수레 2대, 추

이것이 힘 센서입니다.

실험 방법

① 역학 수레 2대에 각각 힘 센서를 장착합니다. ② 두 대의 역학 수레를 마주 보게 하여 충돌시킵니다.

③ 한쪽 역학 수레에 추를 올려서(질량을 바꿔서) 동일하게 충돌시켜 봅니다.

실험 결과: 실시간으로 나타나는 ‘거울 세계’

실제로 실험을 해보면 컴퓨터 화면에 실시간으로 힘의 변화가 기록됩니다. 먼저, 두 개의 힘 센서를 지그시 눌렀을 때의 모습을 살펴봅시다.

영상을 보면 초록색과 파란색 선이 누르는 힘에 맞춰 반대 방향으로 나타나는 것을 알 수 있습니다. 한쪽이 산을 만들면 다른 한쪽은 골을 만듭니다. 그야말로 “밀면 밀려난다”는 모습이 그래프로 선명하게 드러납니다.

이번 실험에서는 한쪽 센서의 영점 보정이 조금 미흡해 수치가 약간 어긋나 보이지만, “반대 방향으로, 완전히 동시에, 거의 같은 크기의 힘”이 발생하고 있다는 것을 확실히 확인할 수 있습니다.

이 실험으로 넓어지는 과학의 세계

이 실험의 묘미는 얼핏 당연해 보이는 법칙이 복잡한 곡선의 움직임으로 나타난다는 점입니다. 사람이 아무리 불규칙하게 힘을 가해도, 상대방의 센서는 아주 작은 오차도 없이 반응하며 똑같은 크기의 반대 방향 힘을 돌려줍니다.

작용 반작용의 법칙은 우리가 지면을 박차고 걸을 수 있는 이유이며, 로켓이 우주로 날아가는 원리이기도 합니다. “내가 힘을 가했을 때 상대방으로부터 반드시 힘을 받고 있다”는 이 우주의 철칙을 그래프로 체감하고 나면, 주변의 모든 현상이 ‘힘의 상호작용’으로 보이기 시작할 것입니다.

이번에는 작용 반작용을 다뤘지만, 힘 센서는 다른 상황에서도 활약합니다. 예를 들어 진자의 무게추 부분에 장착하면 흔들림에 따라 변화하는 장력이나 가속도를 그래프화할 수도 있습니다.

보이지 않는 힘을 잡아내는 센서 실험, 여러분도 수업이나 자유 연구에 꼭 활용해 보세요. 혹시 “이런 재미있는 활용법이 있어!”라는 아이디어를 가진 선생님이 계신다면 꼭 공유해 주시면 감사하겠습니다. 함께 과학의 ‘시각화’를 즐겨봅시다!

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