원심력과 구심력은 왜 생기나?

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원심력과 구심력은 왜 생기나?

 

빠른 속도로 달리는 차가 커브를 돌면, 타고 있는 사람은 몸이 바깥쪽으로 심하게 쏠린다. 그 원인이 무엇이냐고 물으면 대부분은 '원심력 때문'이라고 바르게 대답한다. 그러나 재차 "원심력은 왜 생기는가?"하고 질문하면 금방 대답이 나오지 않을 것이다.

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정지하고 있는 물체는 항상 정지해 있으려 하고, 운동하고 있는 물체는 언제나 같은 방향과 힘으로 직선으로 움직이려 한다. 직선으로 날던 비행기는 어떤 경우에도 직각으로 방향을 바꿀 수 없다. 자전거가 잘 넘어지지 않는 것은 구르는 바퀴가 직선으로 운동하려 하는 성질이 있기 때문다. 이런 운동 성질을 ‘관성’(慣性, 이너셔 inertia)이라 한다.

 

 

 

회전목마를 타면 원심력을 많이 느낄 수 있다. 전투기 조종사는 원심력 훈련을 많이 받는다. (Wikia에서 인용)

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centrifugal force : 원심력

centripetal force : 구심력​

​path of inertia : 관성의 작용 방향​

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원심력과 구심력은 작용과 반작용의 힘

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​보트를 타고 노를 뒤로 저으면 선체는 반대방향인 앞으로 간다. 이런 운동 현상을 '작용(作用 action)과 반작용(反作用 reaction)의 법칙'이라 한다. 로켓도 작용과 반작용의 법칙에 의해 앞으로 추진된다. 이와 같은 현상이 회전하는 물체의 운동에서도 나타난다.

 

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끈에 묶여 회전하는 돌은 회전 방향으로 직진하려는 관성을 가졌다(위 그림 참조). 그러나 돌이 끈에 매달려 회전운동을 하면, 돌은 중심에서부터 멀어지려 하는 원심력(遠心力 centrifugal force)을 가지게 되고, 그 반작용으로 구심력(求心力 centripetal force)이 생긴다. 즉 원심력과 구심력은 작용과 반작용의 힘이며, 그 힘은 방향이 반대이면서 세기(power)는 동일하다. .

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구심력을 가진 회전체의 중심축

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회전하는 물체가 원심력을 가지고 있을 때는 구심력도 동시에 작용한다. 회전하는 팽이를 보면, 팽이의 가장자리는 원심력을 가진 원운동을 한다. 이때 팽이의 중심인 회전축은 외력이 작용하지 않는 한 항상 제자리에 있다. 이때 회전체의 중심은 원심력과 같은 구심력을 가지고 같은 자리에 있는 것이다. 세탁기가 탈수를 할 때 원심력에 의해 물은 드럼 바깥으로 밀려나지만, 회전 드럼의 중심부는 구심력을 가지고 제자리에서 회전한다.

 

 

차가 급정거할 때 몸이 앞으로 확 쏠리는 것은 직선운동을 계속 하려는 관성 때문이고, 차가 회전할 때 몸이 바깥쪽으로 쏠리는 것은 끈에 묵여 돌아가는 돌처럼 인체가 원심력을 갖게 된 탓이다.

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탈수기는 원심력을 이용한 도구

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전기세탁기는 빨래의 물을 탈수할 때 회전 드럼을 빠르게 돌린다. 이때 회전수가 높을수록(회전운동의 속도가 빠를수록) 물은 더 잘 탈수된다. 세탁기는 회전수가 많을수록 원심력이 커지는 성질을 이용하여 탈수하고 있는 것이다. 화학실험실에서 사용하는 원심분리기도 같은 원심력을 이용한 분리 도구의 하나이다.

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자전거 경기장의 트랙에서 회전하는 부분은 바깥쪽을 높게 만든다. 도로도 마찬가지로 커브가 심한 길은 바깥쪽을 높게 해야 과속하는 차가 원심력에 의해 도로 바깥으로 밀려나는 것을 방지한다. 관성, 작용과 반작용, 원심력과 구심력은 뉴턴(Issac Newton 1642-1726)의 운동법칙에서 다루는 간단하지 않은 문제들이다.

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지구는 태양 주위를 돌고, 달은 지구 주위를 돈다. 이렇게 회전운동을 하는 지구나 달이 직선으로 멀리 달아나지 못하고 항상 일정한 거리를 유지하는 것은 태양이나 지구가 가진 중력과 원심력이 균형을 이루고 있기 때문이다. 그런데 과학자들의 조사에 따르면, 달은 매년 지구로부터 약 3.8cm만큼 멀어지고 있다 한다. 그렇지만 달과 지구 사이가 너무 멀어져 이상한 현상이 나타나려면 수천만 년이 지나야 할 것이다. *

 

 

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