자석의 마법! 튀어 오르는 쇠구슬로 배우는 ‘운동량 보존’의 세계 (가우스 가속기)

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 즐거운 실험의 연속이죠.

눈앞에서 쇠구슬이 ‘딱!’ 하고 부딪치는 순간, 반대편 구슬이 ‘슈슉!’ 하고 튀어나가는 광경, 혹시 보신 적 있나요? 사실 이 단순해 보이는 움직임 속에는 우주를 지배하는 근본적인 법칙이 숨어 있답니다. 오늘은 쇠구슬과 강력한 자석을 이용해, 눈에는 보이지 않는 ‘운동량’이라는 힘의 세계를 살짝 엿보려고 합니다. 이 글을 읽고 나면 물리라는 친구가 조금은 더 가깝게 느껴지실 거예요.

하나가 부딪치면 하나가 튀어나오는 마법

쇠구슬과 자석을 이용해 운동량 보존을 관찰하는 실험을 진행했습니다. 먼저 아래 영상을 한번 확인해 보세요. 움직임이 정말 흥미롭답니다.

일렬로 세워둔 6개의 쇠구슬을 향해, 왼쪽에서 구슬 하나를 기세 좋게 굴려 부딪쳐 보겠습니다.

그러면 어떤 일이 벌어질까요? 놀랍게도 굴러온 구슬은 그 자리에 딱 멈춰 서고, 반대쪽 끝에 있던 구슬 딱 하나만이 원래 속도 그대로 튀어나갑니다.

이것이 바로 물리학에서 말하는 ‘운동량 보존 법칙’이라는 현상입니다. 운동량이란 ‘질량 × 속도’로 나타내는 값인데요. 실험에 쓰인 쇠구슬들은 무게(질량)가 거의 같기 때문에, 처음 부딪친 구슬이 가진 ‘에너지의 기세’가 옆 구슬로, 또 그다음 구슬로 차례차례 전달되어 결국 가장 오른쪽에 있는 구슬에게 배달된 것이죠. 마치 이어달리기에서 바통을 넘겨주는 것 같지 않나요? 그 과정의 메커니즘을 파고들면 연속적인 충돌 과정을 자세히 분석해야 하지만, 전체적으로 보면 ‘운동량이 확실히 보존되고 있다’는 사실을 아주 명쾌하게 알 수 있습니다.

두 개를 던지면? ‘수의 대칭성’이 주는 쾌감

이번에는 오른쪽에서 쇠구슬 두 개를 한 세트로 묶어 부딪쳐 보았습니다.

그러자 이번에도 신기하게 반대편에서 두 개의 쇠구슬이 세트로 튀어나옵니다.

물리의 세계는 참 대칭적이고 아름답죠? 이 실험들에서는 구슬끼리 튕겨 나가는 정도를 나타내는 ‘반발 계수’가 1에 가깝기 때문에, 운동량뿐만 아니라 전체적인 ‘역학적 에너지’도 거의 보존되는 것처럼 보입니다.

자석의 힘으로 ‘가속’하라! 가우스 가속기의 비밀

마지막으로 약간의 ‘스파이스’를 가미해 볼까요? 네오디뮴 자석을 오른쪽 끝 쇠구슬에 붙여두고, 똑같이 구슬 하나를 충돌시켜 봅니다. 그러면 충돌 직전에 구슬의 속도가 자기력에 의해 확 올라가게 됩니다. 그 결과, 충돌 후 왼쪽으로 튀어나가는 구슬의 속도가 처음보다 눈에 띄게 빨라집니다.

이 놀라운 순간을 슬로모션 영상으로 확인해 보시죠.

이때도 시스템 전체로 보면 운동량은 보존되지만, 역학적 에너지는 보존되지 않습니다. 왜냐하면 자석이 구슬을 끌어당기는 ‘자기력’이 일을 하면서 외부에서 에너지가 주입되었기 때문입니다.

이것은 ‘가우스 가속기’라고도 불리는 장치의 기본 원리입니다. 자석 하나로 움직임이 이렇게나 달라지다니, 몇 번이고 다시 해보고 싶어지네요. 주변에서 쉽게 구할 수 있는 도구로 우주의 법칙을 체감할 수 있는 이번 실험, 여러분도 그 짜릿한 박진감을 꼭 한번 즐겨보시기 바랍니다.

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