여러분은 자전거 페달을 밟기 시작하는 것이
일정한 속도로 자전거를 타는 것보다 더 힘들다는 것을 알고 있나요?
혹은 무엇이 여러분의 자전거를 움직이게 하는지 궁금했던지,
혹은 왜 자전거가 옆으로 또는 뒤로 가지 않고 앞으로 전진할 수 있는지 생각해보셨나요?
아마 그러지 않으셨을 겁니다. 그리고 여러분만 그런게 아닐테죠.
우리는 이 세 질문들에 대한 해답을,
17세기에 아이작 뉴턴이 움직임의 근본 법칙을 설명하기 전까진
찾을 수 없었습니다.
뉴턴이 깨달은 것은 물체가 그것이 이미 하고 있던 동작을
유지하려고 하는 물체의 속성이었죠. 그래서 여러분의 자전거가 멈추었을때,
그것은 계속 멈춰 있고, 자전거가 움직일 때는
계속 움직이려고 하는 겁니다.
움직이는 물체는 계속 움직이려고 하고
멈춰있는 물체는 계속 멈춰 있으려고 한다,
이것이 뉴턴의 제1법칙입니다.
물리학자들은 이것을 관성의 법칙이라고 하고, 이것은
움직이는 물체가 자발적으로 속도를 높이거나, 낮추거나 혹은 방향을 바꾸지 않는 다는 사실을 잘 설명해줍니다.
관성은 여러분이 자전거를 움직이기 위해 반드시 극복해야 하는 것입니다.
자 이제 여러분은 자전거를 움직이기 위해 관성을 극복해야 한다는 것을 압니다.
그렇다면 그 관성을 극복하게 하는 것은 무엇일까요?
이에 대한 해답은 뉴턴의 제2법칙에서 찾을 수 있습니다.
뉴턴의 제2법칙은 수학적 공식을 통해
힘은 질량과 가속도의 결과라고 말합니다.
물체가 속도를 높이거나 가속도를 갖게 하려면
반드시 '힘'이 가해져야 합니다.
더 많은 힘이 가해질수록
더 많은 속도를 높일 수 있죠. 그리고 자전거의 질량이 클수록,
또 여러분의 질량이 클수록,
더 많은 힘을 써야 동일 비율의 가속도가 나오게 됩니다.
이것은 왜 10,000 파운드 무게의 자전거 페달을 밝는 것이 굉장히 힘든지에 대한 이유입니다.
그리고 여러분의 발이 페달을 밟는 힘이
바로 뉴턴의 관성의 법칙을 극복하는 데 쓰이는 것입니다.
여러분이 페달을 더 세게 밟을수록, 가해지는 힘은 더 세질 것이고
가속도는 더욱 커질 것입니다.
자 이제 마지막 문제로 가보도록 하죠.
여러분이 여러분의 자전거를 움직일 때
왜 자전거는 앞으로 가는 것일까요?
뉴턴의 제 3 법칙에 따르면, 모든 물리적 행위에 대해서는
항상 작용과 반작용이 따릅니다.
이를 이해하기 위해, 탱탱볼을 떨어뜨리는 상상을 해봅시다.
탱탱볼이 떨어져 바닥에 닿을때
이것은 아랫 방향의 힘을 바닥에 가하게 됩니다.
이것이 '작용'인 것이죠.
한편 바닥은 가해진 힘과 동일한 크기의 힘으로 다시 탱탱볼을 밀어냅니다.
하지만 정 반대 방향인 윗 방향으로 힘을 가함으로써
탱탱볼이 다시 여러분 쪽으로 튕겨 오르게끔 하는 것이죠.
종합하면, 바닥과 탱탱볼은 '작용-반작용'이라고 하는
물리적 힘을 형성하는 것입니다.
자전거 이야기로 돌아가면 좀 더 복잡합니다. 여러분의 바퀴가 시계 방향으로 돌아가면서
바퀴가 땅에 닿는 부분이
땅을 뒷편으로 밀어내고—이 힘은 작용이라고 할 수 있죠,
이에 대해 땅은 가해진 힘과 같은 크기의 힘으로
자전거의 타이어를 밀어내는 것입니다. 이것은 반작용이 되겠죠.
여러분은 두 개의 자전거 바퀴를 갖고 있기 때문에 각각의 바퀴는 닿아있는 땅과 작용, 반작용을 일으킵니다.
그리고 '땅'이라는 것 자전거에 비해 매우 크기 때문에
땅은 여러분의 자전거가 가한 힘으로는
거의 움직이지 않지만, 자전거는 힘을 그대로 받아
땅이 가하는 힘의 방향인 앞쪽으로 나아가게 되는 것이죠.