기술은 감각이다, 밀론 블로그
고전역학 - 중력의 신비 [ 관성질량 = 중력질량인 이유 ] 본문
하늘에서 코끼리와 쥐가 동시에 떨어진다. 누가 더 빨리 떨어질까요?
답은 코끼리입니다.
왜일까요?
이유를 꼽아봅시다. 무게 때문일까요? 공기저항도 무시할 수 없습니다.
그럼 진공에서 떨어트려 본다면?
직접해보는 사고실험
진공 상태의 환경에서 무거운 물체, 가벼운 물체를 동시에 떨어트린다면 누가 더 빨리 땅에 도착할까?
직관적으로는 무거운 물체가 더 빨리 낙하할 듯 하다.
질량에 따라 낙하 속도가 달라지는가?
직관적으로 그렇다. 그러나 무거운 물체와 가벼운 물체를 합하면 더 무거워지니 더 빨리 낙하해낙 할 것.
이론을 가정해보자.
20 kg, 10 kg 물체가 각각 하나있다. 이 물체들은 진공상태의 공중에서 같은 위치에서 동시에 떨어지고 있다.
공의 질량을 계산하는 방법은 2가지.
*무게가 아니다. 질량과 무게는 다른 의미. 질량은 물질의 기본 속성, 무게는 중력에 의한 힘
(1) 힘에 저항하려고 하는 관성력을 이용. – 관성질량
(2) 공에 작용하는 중력을 이용. – 중력질량
관성 질량이란 물체가 중력의 이끌림에 저항하는 정도이다. *F=ma
중력 질량이란 물체를 이끄는 정도이다. *만유인력.
(1)의 경우 : 무중력 우주공간에서 20 kg 물체를 미는 힘은 10 kg 물체를 미는 힘의 2배 더 필요하다. 즉 질량이 2배라는 뜻이다.
(2)의 경우 : 땅에서 20 kg 물체를 저울로 무게를 재면 10 kg 물체가 2배 필요하다. 즉 질량이 2배라는 뜻이다.
20 kg는 20 kg 만큼의 힘을 받고 10 kg는 10 kg 만큼의 힘을 받는다.
따라서 관성 질량과 중력 질량이 같다.
즉 질량에 관계없이 똑같은 가속도로 떨어질 것이다!라는 이론의 결론이 나온다.
누가 더 빨리 낙하 하는가? -> 둘 다 똑같다.
물체 입장에서는 이끌림을 느끼고 이끌림에 저항할 것이다.
사실 질량이 크면 낙하 속도가 커야한다.
그러나 질량이 크면 저항력(관성) 또한 커져 낙하속도가 작아지려 할 것이다.
따라서 모든 물체의 낙하 속도는 같다.
이해가 되시나요? 이 정보는 아인슈타인의 상대성이론에서 중요한 개념 중 하나의 역할을 합니다. 등가원리를 말하는 거지요.
이외의 실험으로는 외트뵈시 실험이 있습니다.
관성질량과 중력질량이 같다는 것을 처음 보인 사람은 갈릴레오 갈릴레이입니다.
시간이라는 변수를 도입하여 사고실험을 통해 물체의 운동을 설명했습니다.
독자에게 질문를 던져봅니다.
관성.
등속도계에서 관찰자가 움직이는지 상대가 움직이는지 알 수 있나요?
그렇다면 가속도에서는? 사고실험을 통해 생각해보세요!
뉴턴이 있으라! Q.E.D.
'고전역학' 카테고리의 다른 글
고전역학 - 뉴턴역학 PART - 1 [F = ma 힘의 법칙] (1) | 2023.08.11 |
---|---|
고전역학 - 상대성 원리 [갈릴레오 갈릴레이] (0) | 2023.07.16 |