팽이는 왜 쓰러지지 않을까? 자이로 휠로 체험하는 회전의 신비 (자이로 효과・세차운동)
사이언스 트레이너 구와코 겐입니다. 매일이 실험입니다.
어릴 때 누구나 한 번쯤은 궁금해했던 일이 아닐까요? 이번에는 그 궁금증을 풀어 줄 ‘자이로 휠’을 이용해 눈에 보이지 않는 회전의 힘이 어떤 것인지 직접 알아보겠습니다. 실제로 자신의 몸으로 체험해 보면, 머리로 이해하는 것과는 전혀 다른 놀라움을 느낄 수 있습니다.
수제 실험 장치에서 드디어 제품으로
그동안은 어린이용 자전거 바퀴를 분해해 직접 실험 장치를 만들어 사용했는데, 이번에는 나리카의 자이로 휠을 구입했습니다. 직접 사용해 보니 역시 제품은 회전이 훨씬 부드럽습니다. 마찰이 적고 회전축의 흔들림도 거의 없기 때문에, 앞으로 소개할 현상을 훨씬 선명하게 관찰할 수 있습니다.
C15-2634 회전대(자이로 휠)C15-2634 회전대(자이로 휠)
회전하는 물체는 ‘방향’을 유지하려 한다(자이로 효과)
이 휠을 이용해 확인하고 싶었던 것은 자이로 효과라는 현상입니다. 회전하고 있는 물체가 회전축의 방향을 가능한 한 그대로 유지하려는 성질을 말합니다. 다음 영상을 보세요.
휠에 끈을 걸고 힘차게 회전시킨 다음, 한쪽 축에만 끈을 묶어 매달아 봅니다. 보통 생각하면 한쪽 축만 지탱하고 있는 휠은 중력 때문에 금세 아래로 툭 기울어져 떨어질 것 같지 않나요? 그런데 놀랍게도 넘어지지 않습니다. 휠은 수평을 유지한 채 계속 회전합니다.
회전시키지 않으면 이렇게 쓰러지지만…
회전시키면 손을 놓아도 쓰러지지 않습니다.
이것은 자전거가 달리고 있을 때 쉽게 넘어지지 않는 것과 같은 원리입니다. 타이어라는 회전하는 물체가 회전축의 방향을 유지하려는 성질 덕분에 우리는 자전거를 타면서 균형을 잡을 수 있는 것입니다.
쓰러지지 않을 뿐만 아니라 빙글빙글 도는 ‘세차운동’
더 재미있는 점은 이 휠이 쓰러지지 않은 채 가만히 있는 것이 아니라, 끈을 중심으로 천천히 빙글빙글 계속 회전한다는 것입니다. 이러한 움직임을 세차운동이라고 합니다.
‘세차운동’이라고 하면 뭔가 어려운 물리학 용어처럼 들리지만, 사실 이것도 팽이 놀이에서 익숙하게 볼 수 있는 현상입니다. 팽이가 회전하면서 회전축이 천천히 원을 그리듯 기울어지는 바로 그 움직임이 세차운동입니다.
지구에도 세차운동이 있습니다. 지구의 자전축 방향이 약 2만 6천 년이라는 믿기 어려울 만큼 긴 주기로 천천히 흔들리며 방향을 바꾸는 것입니다. 지금 북극성으로 알려진 작은곰자리의 별도 약 1만 년 후에는 다른 별에게 ‘북극성’의 자리를 넘겨주게 된다고 합니다.
내 몸으로 직접 느껴 보는 세차운동
마지막으로 시도해 본 것은 회전대 위에 올라가 휠을 조작하는 실험입니다. 다시 휠을 힘차게 회전시킨 다음 회전대 위에 올라서고, 그 상태에서 휠을 기울여 봅니다.
다음 영상을 보세요.
그러자 이번에는 놀랍게도 회전대 위에 서 있는 제 몸이 빙글 하고 회전하기 시작합니다.
휠을 기울이는 움직임에 맞춰, 마치 보이지 않는 힘에 밀리기라도 하는 것처럼 몸 전체가 회전합니다. 이것은 각운동량 보존 법칙이라는 물리학의 중요한 원리가 작용하고 있다는 증거입니다. 휠의 회전축을 기울이면 ‘회전의 변화’가 생기는데, 이를 상쇄하려고 시스템 전체, 즉 이 경우에는 회전대와 그 위에 있는 사람의 몸이 반대 방향으로 회전하면서 전체적인 균형을 맞추려는 것입니다.
쉽게 2차원으로 생각해 보면, 수평면에서 각운동량이 보존되도록 몸이 회전하는 것입니다.
사실 이 원리는 피겨스케이팅 선수가 스핀을 도는 도중 팔을 몸쪽으로 오므리면 회전 속도가 빨라지는 현상이나, 인공위성과 로켓이 우주 공간에서 자세를 제어하는 기술에도 활용됩니다. 우주비행사가 무중력 공간에서 몸을 비틀면 자연스럽게 회전하게 되는 것도 같은 각운동량 보존 법칙 때문입니다. 눈앞에 있는 작은 휠의 움직임이 우주공학으로까지 이어진다고 생각하면, 이 실험이 전혀 다르게 보이지 않나요?
문의 및 의뢰 안내
과학의 신기함과 재미를 더욱 가까이에서 만나 보세요! 집에서 할 수 있는 재미있는 과학 실험과 그 요령을 알기 쉽게 정리하고 있습니다. 다양한 내용을 직접 검색해 보세요!
・『과학의 네타장』의 내용이 책으로 출간되었습니다. 자세한 내용은 여기
・운영자 구와코 겐에 대해서는 여기
・각종 의뢰(집필・강연・실험 교실・TV 과학 자문・출연 등)는 여기
・새 글 소식은 X에서 확인할 수 있습니다!
과학의 네타 채널에서 실험 영상을 만나 보세요!
９月のイチオシ実験！
お弁当箱をプラバンがわりにしてキーホルダーを作ろう！
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- ８月２７日（木）科学監修番組放送予定
- ９月２０日（日）ダビンチマスターズ出演予定
- １０月１０日（土）11:15~12:00 千葉市科学フェスタ2026「桑子先生の回転科学ショー」にてサイエンスショーを行います。
- 12月26日（土） ナリカサイエンスアカデミー（教員向け実験講習会）開催
書籍のお知らせ
- 『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
- 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）… 高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
各種SNS（更新情報をお届け！）
【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook 【英語】BlueSky／Threads
Explore
- 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
- 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
- Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
- 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
- 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
- About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
- お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。
