순식간에 코인이 사라진다?! ‘관성의 법칙’을 코인 다루마 게임으로 생생하게 체험!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.
‘관성의 법칙’ 하면 어떤 이미지가 떠오르시나요? “버스가 급정거했을 때 몸이 앞으로 쏠리는 현상!”이라고 답하는 분들이 많을 겁니다. 교과서에는 “물체는 외부에서 힘이 가해지지 않는 한, 그 운동 상태를 계속 유지하려고 한다”고 어렵게 적혀 있지만, 글만으로는 이해하기가 어른들에게도 쉽지 않죠. 그래서 이번에는 이렇게 ‘와닿지 않는’ 물리 법칙을 단번에 체감할 수 있는, 마치 마술 같은 실험을 소개하려 합니다. 이름하여, ‘다루마오토시(일본의 전통 장난감. 쌓여 있는 토막을 망치로 쳐서 빼내는 놀이) 스타일 관성 실험! 단순한 구조지만, 임팩트가 엄청나서 성공하면 교실 전체에 박수가 터져 나오는 수준의 실험입니다. 이 짜릿한 감동을 꼭 한번 느껴보세요.
이 실험이 특별히 재미있는 이유는?
제가 이 실험을 수업에서 소개할 때는 처음에는 교과서대로 설명합니다. 하지만 학생들의 눈은 여전히 반짝이지 않죠. 그때 이 실험 도구를 꺼냅니다. 저도 예전에 영상을 찍으려다가 몇 번이나 실패했었는데요. 원인은 사용했던 자의 두께였습니다. 일반 대나무 자는 좀 두꺼워서, 때리는 순간 동전뿐만 아니라 그 위의 병에도 힘이 전달되어 모든 것이 와르르 무너져버렸죠. 하지만 며칠 뒤 얇은 금속 자로 바꿨더니, 완전히 다른 세상이 펼쳐졌습니다. 동전만 ‘탁!’ 하고 튕겨져 나가고, 병은 그 자리로 ‘쿵!’ 하고 떨어져 멈췄습니다. 이 성공의 경험은 정말 특별했어요. 실제 수업에서도 학생에게 시켜봤는데, 놀랍게도 단번에 성공! 집에서 몇 번이나 연습했다고 하더군요. 그 학생은 반에서 ‘관성의 달인’으로 불리게 되었답니다.
실험 준비
성공의 핵심은 ‘도구 선택’과 ‘무게’에 있습니다. 다음을 준비해 주세요. 유리병 (페트병도 가능하지만, 유리가 질량(무게)이 더 커서 ‘그 자리에 머물러 있으려는 힘’이 강하게 작용하기 때문에 성공하기 쉽습니다) 물 (병 안에 넣어 무게를 더합니다. ‘무거운 것일수록 움직이기 어렵다’는 관성의 성질을 이용하는 거죠) 장난감 동전 (다이소 등에서 구할 수 있습니다. 표면이 매끄러운 것이 가장 좋습니다) 얇은 금속 자 (반발력이 좋고, 때릴 때 흔들림이 적은 것. 이것이 가장 중요한 포인트입니다!)
실험 방법
준비가 되었다면, 이제 실전입니다. 동전을 2~3개 겹쳐서 안정적으로 책상 위에 놓습니다. 그 위에 물을 넣은 병을 조심스럽게 올립니다 (병이 넘어지지 않도록 신중하게 균형을 잡아주세요).
자를 동전 밑에 끼우고, 망설이지 말고 빠르고 수평하게 쳐서 빼냅니다!
어떠셨나요? 성공하면 동전만 세차게 튕겨져 나가고, 병은 마치 아무 일도 없었다는 듯 그 자리에 착지합니다. 이것이야말로 ‘관성의 법칙(정지 관성)’이 작용하고 있다는 증거입니다. 병은 정지해 있었기 때문에, 밑의 동전이 순식간에 사라져도 “나는 계속 여기에 멈춰 있고 싶다!”는 성질을 유지합니다. 그 결과, 중력에 의해 바로 아래로 떨어질 뿐, 옆으로는 움직이지 않는 것입니다.
보충: 움직이는 물체가 계속 움직이는 세상
자, 여기까지는 ‘멈춰 있는 것은 계속 멈춰 있으려고 한다’는 이야기였습니다. 그럼, 일단 움직이기 시작한 것은 어떻게 될까요? 같은 ‘관성’의 개념으로, 에어하키 실험을 살펴봅시다. 오락실에 있는 그것 말입니다. 미끄러지기 쉬운 표면 위에서는 물체가 일단 움직이기 시작하면, 힘을 가하지 않아도 ‘슈욱’ 하고 계속 움직이는 모습을 관찰할 수 있습니다.
자세히 보면, 에어하키 테이블에는 무수히 많은 작은 구멍이 뚫려 있고, 아래에서 공기가 뿜어져 나옵니다. 이 공기가 퍽(Puck)을 살짝 띄워 올려서, 바닥과의 마찰력이 극적으로 줄어드는 것이죠. 좀 더 전문적인 이야기를 하자면, 운동 마찰력의 공식은 $F = \mu’N$ (마찰 계수 $\times$ 수직 항력)으로 표현됩니다. 여기서 중요한 것은, 마찰을 결정하는 것이 단순한 무게(Mg)가 아니라, **면을 누르는 힘(수직 항력 N)**이라는 점입니다.공기가 퍽을 들어 올림으로써 면을 누르는 힘이 거의 0에 가까워지고, 그 결과 마찰 또한 사라지게 됩니다. 마찰이 없는 세상에서는 물체는 영원히 움직입니다. 이것이 바로 ‘등속 직선 운동’입니다. 지구상에서는 아무래도 마찰이나 공기 저항이 있지만, 그 영향이 없는 곳이라면… 네, 바로 우주입니다. 우주 공간에서의 실험은 그야말로 관성 법칙의 향연이죠. 모리 마모루 우주 비행사님의 이 영상도 추천합니다. 다루마오토시 같은 ‘정지 관성’과 계속 움직이는 ‘운동 관성’. 이 두 가지가 연결되면 우주의 신비까지도 엿볼 수 있답니다.다음은 테이블보 빨리 빼기 실험은 어떠신가요?
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