물리- 관성력과 원심력

1. 자동차가 추진을 하고 있는 동안에 사람들은 뒷쪽으로 쏠리게 된다. 왜 사람들은 뒤로 밀리게 되는지 생각해 보자.

2. 엘레베이터를 타고 있으면 어느 순간에 마당에 서있을 때와는 틀린 느낌이 들때가 있다. 이런 순간은 어떠한 순간인가? 또, 왜 이런 느낌이 드는 것일까?

내 용

① 관성력

동일한 물체라도 물체의 운동은 관측자에 따라 다르게 보일 수 있다. 즉, 운동을 기술하는 기준 좌표계에 따라 운동하는 관측자를 기준으로 정한 좌표계를 관성계라고 하고, 가속도 운동을 하는 관측자를 기준으로 정한 좌표계를 가속계라고 한다.
관성계에서는 물체가 실제로 받고 있는 힘을 고려하여 운동 법칙을 적용하면 물체의 운동은 관찰 사실과 잘 일치되게 기술된다. 그러나 가속계에서는 물체가 실제로 받고 있는 힘 이외에 가상적인 어떤 힘이 더 있다고 생각해야만 관찰 사실과 일치되는 운동 방정식을 세울 수 있다. 그렇다면 가속계에서는 왜 가상적인 힘이 있다고 생각하여야 되며, 그 힘의 방향과 크기는 어떤지 알아보자.

그림은 버스가 가속도 운동을 하고 있을 때, 버스 안의 손잡이의 모습을 정지한 관측자가 본 경우 그림 (가)와 버스 안에 타고 있어 가속도 운동을 하는 관측자가 본 경우 그림 (나)를 나타낸 것이다.
그림 (가)에서 버스 안의 손잡이는 가속도 a로 운동하고 있는 것으로 관찰되고 손잡이가 받고 있는 힘은 중력과 장력뿐이다. 따라서, 운동 법칙을 적용하여 운동 방정식을 세우면

가 되어 관찰 사실과 일치된다. 그러나 그림 (나)에서 관측자에서 손잡이는 버스 뒤쪽으로 기울어진 채 정지해 있는 것으로 보인다. 이 경우에는 손잡이가 실제로 받는 힘은 중력과 장력뿐이므로 운동 방정식을 세우면

이 되어 관찰 사실과 일치되지 않는다. 만일, 장력과 중력의 합력과 크기가 같고 방향이 반대인 가상적인 힘 가 손잡이에 작용하고 있다고 가정하면 운동 방정식은

이 되어 문제가 해결된다. 이 때, 가상적인 힘 는 물체의 관성 때문에 생기면 이 힘을 관성력이라고 한다. 관성력 는

의 관계가 성립된다. 관성력은 물체의 관성을 고려하여 가속도 운동을 하는 물체를 정지해 있는 물체와 동일하게 취급하기 위해 도입한 가상적인 힘일 뿐이고 실제로 물체에 작용하는 힘은 아니다.

② 원심력

다음 그림은 등속 원운동하는 회전판 위에 놓인 용수철에 매달린 물체의 모습을 정지한 관측자가 본 경우 그림 (a) 와 회전판 위에 있어 가속도 운동을 하는 관측자가 본 경우 그림(b)를 나타낸 것이다.

그림 (a)에서 정지해 있는 관측자가 물체를 보면 물체는 용수철의 탄성력이 구심력이 되어 등속 원운동 하는 것을 관찰된다. 그러나 그림 (b)에서 회전판 위에 서 있는 관측자에게는 용수철이 늘어난 상태로서 물체는 정지해 있는 것으로 보인다. 이 경우에도 탄성력과 평형을 이루는 가상적인 힘이 물체에 작용한다고 생각하여야 되는데, 이 힘은 탄성력과 크기는 같고 방향은 반대이어야 한다. 이와 같이, 원운동에서의 관성력을 원심력이라고 하며, 원심력의 크기 F는

의 관계가 성립된다.
자동차가 커브길을 돌고 있을 때 승객의 몸이 바깥쪽으로 밀리는 것은 원심력 때문이며, 젖은 빨래에서 물기를 제거시키는 탈수기나 혈액과 같은 혼합물을 성분 물질로 분리하는 원심력을 이용한 장치들이다. 또한, 승강기에 타고 있는 사람의 몸무게가 승강기가 가속될 때 가벼워지거나 무거워지는 현상도 관성력 때문이며, 구심 가속도가 중력 가속도와 같은 인공 위성 속에 있는 사람은 몸무게를 느끼지 못하게 된다.
이와 같이, 물체의 무게와 관성력이 같아져 무게를 느끼지 못하는 상태를 무중력 상태라 한다.

정 리

1. 관성력--가속운동하는 좌표계에서 느껴지는 가상적인 힘

2. 원심력--원운동에서의 관성력 ()

 

<출처:네이버오픈백과>