물리학을 배우는 이유

물리학을 배우는 이유

물리학의 법칙들은 금문교(Golden Gate. Bridge)가 유지될 것인지 또는 무너질 것인지를 결정할 뿐만 아니라, 다리를 건너는 승용차들의 연료 효율, 전조등의 밝기 및 다리 밑을 흐르는 해류의 운동 등을 결정한다. 자전거를 타거나 제트기로 여행할 패 또는 천둥 비바람을 지켜볼 때 우리들은 물리 법칙들을 체험하게 된다. 물리학(物理學, physics)은 물체들이 어떻게 그리고 왜 움직이는지를 알려준다. 물리학의 지식은 우리 삶에 점점 더 많은 영향을 미치는 과학기술과 자연현상들을 이해하는 데 도움을 준다. 이 책에서는 물리학의 기본 법칙들을 상세히 설명하고, 또한 원자와 분자에서부터 승용차와 항공기, 로켓과 컴퓨터, 항성과 은하에서 일어나는 무수한 현상들에 이르기까지 이 기본 법칙들이 어떻게 적용되는지를 밟힌다.
물리학을 배우는 이유는 무엇일까? 화학, 지질학, 공학, 재료과학 등의 분야 또는 물리학 자체를 공부해나가면 물리학의 원리들이 모든 학문의 기초가 된다는 것을 깨닫게 될 것이다. 생물학과나 의예과 학생들은 물리학의 원리들이 생명현상에 

관여될 뿐만 아니라, 개개 세포의 면밀한 검사를 비롯하여 미동하는 심장을 다시 정상적으로 뛰게 하는 등에 사용되는 모든 의료기구 및 장비에도 활용된다는 것을 알게 될 것이다. 이 책은 본래 자연과학과 공학 분야의 학생들을 위하여 쓰였다. 하지만 다른 여러 분야의 학생들도 물리학을 배움으로써 자연계의 이치 및 최신 과학기술에 대한 통찰력을 가지게 되어 유용성과 함께 철학적 풍요로움을 얻게 될 것이다.

 

중력에 의한 등가속도 운동

물체를 떨어뜨릴 때 물체는 중력에 의하여 가속되어 일정한 비율로 속도가 증가한다. 이 현상을 9장에서 좀 더 상세하게 다룬다. 실험으로 지구 표면 근처에서 낙하하는 물체의 가속도는 항상 일정한데 더욱이 이 가속도는 모든 물체에 

대하여 동일하며 물체의 질량이나 기하학적 성질에 무관하다는 것을 알게 된다. 낙하하는 물체의 속력이 향상하는 비율 즉, 중력 가속도(acceleration of gravity)는 지구 표면 근처에서 근사적으로 9.8m/s 제곱이다. (좀 더 정확한 값은 부록 D에 다른 행성에 대한 값과 함께 나타내었다.)엄밀히는 중력 가속도는 단지 자유 낙하(free fall) 즉, 중력의 영향만을 받는 물체에만 적용된, 다른 힘들, 특히 공기의 저항이 있으면 모든 물체가 동일한 등가속도로 낙하한다는 표현은 틀림없이 바뀔 것이다. 예로써, 납작한 종이 한 장과 바위를 떨어뜨려 보라. 그들의 거동은 확실히 다르다. 그러나 종이를 구겨서 공기의 저항을 덜 받게 하면, 그것은 바위와 거의 비슷한 가속도로 떨어질 것이다. 낙하하는 모든 물체의 가속도가 같다는 것은 1971년 우주 비행사들이 망치와 깃털이 공기가 거의 없는 달 표면에서 동시에 떨어진다는 것으로 입증하였다. 달에서의 중력 가속도는 지구와는 다르다. 그러나 중요한 점은 모든 물체는 같은 장소에서의 중력 가속도는 같다는 것이다. 1600년경 Galileo는 Pisa의 사탑에서 물체들을 떨어뜨려 모든 물체는 모두 같은 가속도로 낙하한다는 것을 증명하였다고 전해지고 있다. Pisa의 사탑에서 실험하였다는 증거는 없지만, Galileo가 기울어진 평면 위에서 굴러떨어지는 공에 대한 실험을 주의 깊게 하였다고 알려져 있다. 기울기가 줄면 중력의 효과가 "약해져" Galileo는 정밀한 실험을 할 수 있었다. 현재는 연직으로 떨어지는 물체들을 섬광 전구나 비디오카메라로 조사한다. 지구 표면 근처에서의 중력 가속도가 상수 9.8 m/s 제곱이라는 것은 연직으로 운동하는 물체의 속도는 매초 9.8 m/s의 비율로 변화한다는 것을 의미한다. 위로 이동할 때, 물체는 정지하고 방향을 바꿀 때까지 느려진다. 아래로 이동할 때 속력이 향상된다. 위로 운동하는 물체의 속도 변화를 이미 그림 2-8에 나타내었다. 다시 한번 가속도는 속도에 의존하지 않는다는 것을 강조한다. 지구의 표면 근처에서 한 물체의 중력 가속도 g는 물체가 위로 올라가거나, 내려오거나 혹은 옆으로 운동하는가와 관계없이 아래로 향한다. 중력 가속도의 크기를 기호 g로 나타낸다. 비록 g가 대략 지구 표면 근처의 모든 지점에서 같다고 할지라도 위도, 심지어 지역의 지질 구조에 따라 약간씩 달라진다. 고도에 따른 g의 변화는 비교적 낮은 지구 궤도를 돌고 있는 우주선에서도 실제로 생긴다. 그렇지만 지구 표면에 근접하면 g가 균일하다고 간주할 수 있다. 그렇다면, 중력만을 받는 지구 표면 근처에서 운동하는 물체는 등가속도 운동을 하며 파라서 표 2-1의 식들이 적용된다. 중력 문제를 다루는 데 있어서, 흔히 이 식들의 x를 변수 y로 바꾸어 연직 방향의 위치를 나타낸다. 위쪽을 양의 방향으로 택하면 a는 - g가 된다. 지금까지 물체가 실제로 아래 방향으로 운동하는 경우에 대해서만 다루었다. 이 경우, 가속도와 속도는 같은 방향이기 때문에 속도의 크기는 증가한다. 그러나 중력만을 받는 물체의 가속도는 운동의 방향과 관계없이 아래 방향으로 9.8 ms 제곱이다. 예를 들어, 곧장 연직 쌍방향으로 던진 공은 위

방향으로 운동하는 동안에도 아래 방향으로 가속된다. 왜냐하면 위 방향 속도가 감소-즉, 속도의 변화가 음이기 때문이다. 1차원 운동에서 가속도는 속력의 향상 또는 감소를 의미한다. 속도와 가속도의 방향이 같을 때 즉 승용차가 고속도로에 들어가서 브레이크를 밟지 않아도 되는 경우 속력은 향상한다. 또는 속도와 가속도는 반대 방향 즉 브레이크를 밟아서 작용과 반작용이 생긴 경우 속력은 감소한다.