계단을 내려가는 스프링이 살아있다고? 애벌레처럼 걷는 움직임 속 물리학의 비밀
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험입니다.
아이와 함께 계단 위에서 긴 플라스틱 용수철인 슬링키를 살짝 떨어뜨려 본 적이 있으신가요? 슬링키는 마치 스스로 생각하고 움직이는 생명체처럼, 한 계단 한 계단 천천히 계단을 내려갑니다. 그 모습이 너무 재미있어서 저도 한참 동안 자세히 관찰해 보았습니다.
그런데 이 움직임이 정말 볼 만합니다. 직접 촬영한 영상을 한번 보시죠.
마치 뱀이나 애벌레 같은 생물이 한 걸음씩 계단을 기어 내려가는 것처럼 보이지 않나요? 한 계단 내려갔다 싶으면 이번에는 뒤쪽 끝부분만 다음 계단까지 스르르 늘어나고, 그 움직임을 따라가듯 전체가 끌려 내려옵니다……。이 신기한 움직임의 뒤에는 사실 물리 법칙이 가득 숨어 있습니다.
애벌레처럼 움직이는 비결은 ‘무게중심의 이동’
이 용수철의 움직임을 자세히 살펴보면 몸 전체가 한꺼번에 떨어지는 것이 아니라는 사실을 알 수 있습니다. 먼저 뒤쪽(위쪽) 부분이 수축하면서 앞쪽으로 끌려가고, 그다음 전체가 다음 계단으로 떨어지는 동작을 반복합니다.
이 모습은 자연계 생물의 움직임과도 닮아 있습니다. 애벌레나 자벌레는 몸 뒤쪽을 오므리고 앞쪽을 뻗은 다음, 다시 뒤쪽을 앞으로 끌어당기는 동작을 반복하며 앞으로 나아가죠. 슬링키도 마찬가지입니다. 코일의 일부가 수축하면서 무게중심을 앞쪽, 즉 아래쪽으로 이동시키고, 그 힘에 이끌리듯 나머지 부분이 당겨지면서 앞으로 이동합니다. 생물의 ‘걷기’와 단순한 플라스틱 코일의 움직임 속에 비슷한 물리적 원리가 숨어 있다는 사실이 무척 흥미롭습니다.
에너지의 변환을 따라가 보자
이 슬링키의 움직임을 물리학적인 관점에서 바라보면, 다음과 같은 에너지의 변화가 일어나고 있습니다.
먼저 계단 위에 놓인 슬링키가 가지고 있는 것은 중력에 의한 위치 에너지입니다. 높은 곳에 있는 물체일수록 더 큰 위치 에너지를 가지고 있습니다.
그다음 슬링키가 떨어지기 시작하면 코일의 일부가 수축하거나 늘어납니다. 이때 위치 에너지의 일부가 용수철의 탄성력에 의한 위치 에너지, 즉 탄성 에너지로 바뀝니다. 늘어난 고무나 용수철을 잡아당겼을 때 원래 상태로 돌아가려는 힘이 생기는 것과 같은 원리입니다.
그리고 수축한 용수철이 다시 원래 모양으로 돌아가려는 순간, 저장되어 있던 탄성 에너지가 한꺼번에 방출되면서 운동 에너지로 바뀝니다. 이것이 바로 용수철의 일부가 힘차게 다음 계단까지 튀어나가는 움직임의 정체입니다.
즉, 이 슬링키는 계단을 내려가는 동안
중력에 의한 위치 에너지 → 탄성력에 의한 위치 에너지 → 운동 에너지 → (다음 계단에서 다시) 중력에 의한 위치 에너지……
라는 에너지 변환을 마치 릴레이처럼 반복하면서 이동하는 것입니다. 한 계단 내려갈 때마다 이 사이클이 반복되기 때문에 마치 살아 있는 생물이 한 걸음씩 걷는 것처럼 보이는 것이죠.
사실 우주에서도 화제가 되었던 ‘슬링키의 물리학’
여담이지만, 이 슬링키라는 장난감은 사실 물리학 분야에서도 여러 차례 주목받았습니다. 슬링키를 세로로 들고 아래쪽 끝을 손으로 받친 상태에서 위쪽 끝을 놓아 자유낙하시키는 유명한 실험이 있습니다. 보통 생각하면 손을 놓는 순간 용수철 전체가 동시에 떨어지기 시작할 것 같지만, 실제로는 아래쪽 끝이 한동안 그대로 멈춰 있는 상태를 유지합니다. 그리고 위쪽 부분이 수축하면서 아래쪽을 따라잡은 뒤에야 아래쪽도 떨어지기 시작합니다.
이는 용수철 위쪽이 수축하면서 발생한 힘이 아직 아래쪽까지 충분히 전달되지 않았기 때문에 나타나는 현상입니다. 힘이 전달되는 속도에는 한계가 있다는 사실을 눈으로 직접 확인할 수 있는, 매우 흥미롭고 의미 있는 실험입니다. 이번에 살펴본 계단에서의 움직임 역시 이러한 ‘힘이 전달되기까지의 시간 지연’이 만들어 내는 신기한 현상의 한 예라고 생각하면, 또 다른 재미가 보이지 않나요?
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