시점이 바뀌면 세상이 달라질까? 회전 카메라가 포착한 ‘원심력’의 결정적 순간
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험의 연속이죠.
놀이공원에서 회전 컵을 탔을 때나, 급커브를 도는 차 안에 있을 때 몸이 바깥쪽으로 꽉 밀려나는 듯한 신기한 힘을 느껴본 적 있으신가요? “어라차차!” 하며 나도 모르게 버티게 되는 그 느낌. 사실 우리 주변에는 내가 서 있는 곳이 회전하고 있다는 이유만으로 나타나는, 마치 유령 같은 신기한 힘이 존재합니다.
얼마 전, 물리의 기본인 등속 원운동 온라인 수업을 진행했는데요. 수업에서는 회전 테이블을 이용해 원운동의 원리를 설명했지만, 오늘은 한 걸음 더 나아가 **”회전하는 물체 위에 올라탄 세상에서는 대체 어떤 풍경이 보일까?”**를 밝혀내는 실험 영상을 촬영해 보았습니다.
실험: 사라지는 힘의 정체, 원심력을 포착하다
이번 실험의 주인공은 회전 테이블 중심에 고정된 스프링 달린 추입니다. 이 스프링이 늘어나는지를 통해 힘이 작용하고 있는지를 시각적으로 확인해 볼 거예요.
특히 이번에는 시점의 차이에 공을 들였습니다.
밖에서 가만히 서서 지켜보는 카메라 (정지 좌표계)
테이블과 함께 빙글빙글 돌아가는 카메라 (회전 좌표계)
이 두 가지 시점을 동시에 기록하고 편집으로 비교함으로써, 물리학의 큰 수수께끼 중 하나인 원심력의 정체에 다가갑니다. 수많은 시행착오 끝에 드디어 “이거다!” 싶은 영상을 찍을 수 있었는데요. 우선 그 충격적인 비교 영상을 감상해 보시죠.
시점이 바뀌면 물리 법칙도 바뀔까?
이 사진을 봐 주세요. 회전 테이블을 바로 위에서 멈춰 있는 시점으로 찍은 모습입니다.
밖에서 보고 있는 우리에게 추는 그저 원을 그리며 돌고 있는 것처럼 보입니다. 물리학 용어로 말하면, 중심을 향하는 힘(구심력)에 의해 진로가 계속 꺾이고 있는 상태죠. 그런데 테이블과 함께 회전하고 있는 카메라 영상으로 전환하면 풍경이 완전히 달라집니다.
어떠신가요? 회전하는 입장에서 보면 테이블이 돌기 시작하는 순간, 추에 바깥쪽으로 잡아당기는 의문의 힘이 작용하며 스프링이 쭉쭉 늘어나는 것을 볼 수 있습니다.
원심력은 관성이 변신한 모습
이렇게 바깥으로 튕겨 나가려는 힘이 바로 원심력입니다. 사실 밖에서 보는 사람에게는 이 힘이 보이지 않아요. 왜냐하면 원심력은 회전하고 있는 사람만 느낄 수 있는 특별한 힘이기 때문입니다.
그 정체는 바로 관성입니다. 물체는 원래 가던 방향으로 계속 나아가려는 성질을 가지고 있죠. 바닥이 억지로 방향을 틀려고 하니, 추는 “난 계속 똑바로 가고 싶다고!”라며 저항하는 것입니다. 그 저항이 회전하는 세상 안에서는 바깥쪽으로 작용하는 힘으로 나타나게 됩니다.
이처럼 내가 어디에 서서 세상을 보느냐에 따라 보이는 힘의 모습이 달라진다는 점은 물리학의 정말 재미있고 심오한 부분입니다. 이 영상을 통해 교과서 속의 원심력이라는 단어가 여러분에게 조금이라도 생생한 감각으로 전달된다면 좋겠습니다.
회전 컵 놀이기구를 탔을 때의 모습도 함께 확인해 보세요.
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