NASA 실험으로 증명! 깃털과 철구가 동시에 떨어진다? 갈릴레이도 놀란 ‘낙하의 법칙’
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험.
손에서 미끄러져 툭 떨어진 스마트폰. 그 찰나의 순간에 사실 우주를 지배하는 거대한 법칙이 숨겨져 있다면, 정말 흥미롭지 않나요? 나무에서 떨어지는 사과를 보고 뉴턴이 만유인력의 법칙을 떠올렸다는 이야기는 너무나도 유명하죠. 하지만 우리 눈앞에서 일어나는 물체가 떨어진다는 아주 평범한 현상에는 지금도 사람들을 깜짝 놀라게 할 드라마가 가득 담겨 있습니다.갑작스럽지만 퀴즈 하나 드릴게요. 종이 한 장과 무거운 돌을 동시에 손에서 놓는다면, 어떤 것이 먼저 땅에 닿을까요? “그거야 당연히 무거운 돌이지!”라고 생각하신 분들, 물리학의 세계에 오신 것을 환영합니다.사실 그 상식은 어떤 특별한 조건이 더해지면 마법처럼 뒤집히고 만답니다. 이번에는 일상 속에 숨겨진 과학의 신비, 낙하 운동의 세계로 여러분을 안내합니다.
상식을 의심하라! 갈릴레이가 도전한 낙하의 수수께끼
지금으로부터 400여 년 전, 위대한 과학자 갈릴레오 갈릴레이도 여러분과 똑같은 의문을 가졌습니다. 당시 사람들은 무거운 것일수록 빨리 떨어진다는 아리스토텔레스의 가르침을 2000년 동안이나 추호의 의심도 없이 믿어왔죠.하지만 갈릴레이는 스스로 생각했습니다. “만약 공기의 방해가 없다면, 모든 물체는 무게와 상관없이 똑같은 속도로 떨어질 것이다”라고 말이죠. 이 직관을 증명하기 위해 그가 피사의 사탑에서 크고 작은 공을 동시에 떨어뜨려 사람들을 깜짝 놀라게 했다는 전설은 과학사에서 가장 유명한 에피소드 중 하나입니다. (※실제로는 사고 실험이었다는 설도 있지만, 그 설렘은 변함이 없네요!)”에이, 그래도 실제로 깃털과 공을 떨어뜨리면 당연히 공이 먼저 떨어지잖아요?”맞는 말씀입니다. 우리 주변에는 공기 저항이라는 눈에 보이지 않는 브레이크가 존재하니까요. 가벼운 깃털은 공기 입자에 방해를 받아 천천히 춤추듯 내려오고, 무거운 공은 공기를 가르며 나아갑니다. 그렇다면 만약 그 공기가 사라진다면 어떻게 될까요?
NASA가 증명했다! 진공 속에서는 깃털도 쇠공도 동시에 떨어진다
영국 BBC 방송국이 NASA의 거대 시설을 이용해 인류의 꿈이라고 할 수 있는 실험을 진행했습니다. 무대는 세계 최대의 진공 챔버. 공기 입자를 단 하나도 남기지 않고 몰아내어 달 표면과 같은 무의 세계를 만들 수 있는 곳입니다. 처음에는 공기가 있는 상태에서 실험합니다. 당연히 무거운 쇠공이 쿵 하고 떨어지고, 깃털은 하늘거리며 나중에 내려옵니다. 하지만 펌프를 계속 돌려 거대한 진공 공간을 만든 후, 다시 동시에 낙하시키면…
https://youtu.be/E43-CfukEgs?si=FcopVUJoByNEwj0Q믿기지 않는 광경이 펼쳐집니다. 가벼운 깃털과 무거운 쇠공이 마치 손을 잡고 있는 것처럼 완벽하게 나란히 착지하는 것이죠. 물리학 교과서에 적힌 모든 물체는 똑같이 가속된다라는 진실이 눈으로 확인되는 충격적인 순간입니다. 이제부터 이 아름다운 낙하 운동의 정체를 수식이라는 마법의 언어로 풀어보겠습니다.
수식으로 탐험하자! 낙하 운동의 2대 패턴 파헤치기
낙하 운동은 지구의 중력이 물체를 계속 끌어당기기 때문에 일어납니다. 이때 물체의 속도는 일정한 비율로 점점 빨라지는데, 이 가속되는 정도를 중력 가속도라고 부르며 기호 $g$로 나타냅니다. 지구상에서는 약 $9.8\text{m/s}^2$입니다. 즉, 1초가 지날 때마다 초속이 $9.8\text{m}$씩 빨라진다는 규칙이죠. 이 규칙만 알면 미래의 속도도 거리도 계산만으로 예언할 수 있습니다.
패턴 1: 자유 낙하 (가만히 손을 놓을 때)
먼저 손에 든 물건을 그대로 놓는 가장 순수한 낙하입니다. 처음 속도가 $0$인 것이 포인트죠. 예를 들어, 작은 공을 높은 나무 위에서 가만히 떨어뜨려 2.0초 후에 지면에 닿았다고 가정해 봅시다. 이 나무의 높이는 대체 얼마나 될까요?
거리를 구하는 공식을 사용합니다. 이 식에 $t=2.0\text{초}$, $g=9.8\text{m/s}^2$를 대입해 보겠습니다.
나무의 높이는 약 20m로 밝혀졌습니다! 건물 5~6층 높이에 해당하는 꽤 높은 곳이었네요.
패턴 2: 연직 투하 (힘껏 던질 때)
다음은 아래를 향해 에잇! 하고 힘을 주어 던지는 경우입니다. 예를 들어, 처음 속도 $5.0\text{m/s}$로 던졌을 때 2.0초 후의 속도와 거리는 어떻게 될까요?
이번에는 처음 속도 $5.0\text{m/s}$가 힘을 보태줍니다. 먼저 2.0초 후의 속도를 계산합니다.
시속으로 바꾸면 무려 약 90km/h! 고속도로를 달리는 자동차 수준의 빠르기입니다. 다음으로 2.0초 동안 이동한 거리를 볼까요?
그냥 놓았을 때보다 10m나 더 멀리 도달했습니다. 수식을 사용하면 이처럼 현상이 눈에 보이게 시각화됩니다.
참고로 방금 보신 NASA의 실험은 거대 공간을 진공으로 만드는 데만 3시간이 걸렸다고 하네요. 과학적 진실을 쫓는 열정에 절로 고개가 숙여집니다. 아폴로 계획 당시 달 표면에서 실제로 진행된 망치와 깃털 실험 영상도 꼭 확인해 보세요!
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