뉴턴의 사과는 나무에서 떨어진 후 어떻게 되었을까요? 뉴턴이 나무에서 떨어지는 사과를 보고 만유인력의 법칙을 발견했다는 것은 너무나 유명한 일화입니다. 나무에 매달려 있던 사과는 지구가 끌어당기는 힘에 의해 아래로 떨어졌을 것입니다. 만일 지구가 기체로 이루어져 있다면 사과를 지구의 중심 방향으로 끌어당기는 중력 때문에 사과가 지구 중심까지 끌려갈 것이라고 생각할 수 있습니다. 하지만 우리는 수많은 경험으로부터 절대 그런 일이 일어날 수 없음을 알고 있습니다. 분명 사과는 지표면 어딘가에 멈춰 설 것입니다. 사과가 멈추어 있다는 것은 중력 외에 다른 힘이 사과에 작용하고 있으며, 사고에 작용하는 알짜 힘이 0이 되었음을 의미합니다. 중력과 평형을 이루는 힘은 땅바닥이 사과를 위로 밀어 올려주는 힘입니다. 물체를 위로 밀어 올려주는 힘의 정체는 과연 무엇일까요?
식탁 위에 가만히 놓여 있는 사과에는 아무런 힘이 작용하지 않는 것처럼 보이지만 두 가지 힘이 작용하고 있습니다. 하나는 지구가 사과를 끌어당기는 중력이고 다른 하나는 식탁이 사과를 위로 밀어 올리는 힘입니다. 사과가 움직이지 않고 정지한 상태이므로 두 힘은 분명히 평형을 이루며, 사과에 작용하는 알짜 힘은 없습니다. 따라서 식탁이 사과를 밀어 올리는 힘은 중력과 크기가 같고, 방향이 반대입니다. 사과가 식탁을 누르면(작용), 식탁은 분명히 휘게 됩니다. 단지 그 휘어진 정도가 작아서 눈에 보이지 않을 뿐입니다. 휘어진 식탁은 사과에 복원력을 작용합니다. 이 복원력은 중력에 저항해 사과가 움직이지 못하게 만듭니다. 우리는 이 힘을 항력이라고 부릅니다. 사실 항력은 복원력과 같은 힘이며, 변형이 매우 작아서 ㅜ눈에 보이지 않을 때 항력이라고 합니다.
항력은 몇가지 물리학의 힘과는 다른 성질을 가지고 있습니다. 미리 반으로 잘라 두었던 사과를 탁자 위에 올려 두었다가 위에 있던 사과 반쪽을 갑자기 치웠다고 생각해 봅시다. 원래 사과 한 개가 받는 중력의 크기를 6N이리고 하면, 사과 한 개에 작용하는 항력도 6N 일 것입니다. 사과 반쪽을 치웠을 때 항력이 변하지 않는다면 남은 사과 반쪽에 작용하는 중력은 아래쪽으로 3N이고, 항력은 위쪽으로 6N이 됩니다. 사과 반쪽에 3N의 알짜 힘이 위쪽으로 작용하는 것이므로 사과는 튀어 올라야 할 것입니다. 하지만 그런 일은 일어나지 않습니다. 따라서 위에 있던 사과 반쪽을 치우는 순간에도 알짜 힘은 0이어야 합니다. 그렇기 위해서는 사과에 작용하는 중력이 작아지는 순간, 즉 사과가 탁자를 누르는 힘이 줄어드는 순간 항력도 이에 대응하여 순간적으로 작아져야 합니다.
이렇듯 외부에서 작용하는 힘의 크기에 따라 크기가 변하면서 물체의 운동을 제한하는 힘을 구속력이라고 합니다. 일상생활에서 구속이란 어떤 사람의 자유를 제한해서 일정한 장소에 잡아 두는 일을 뜻합니다. 이와 유사하게 물리학에서의 구속력은 물체가 움직이지 못하도록, 또는 일정한 운동만을 하도록 제한하는 힘을 뜻합니다. 항력은 구속력의 대표적인 예인 것입니다.
책상 위에 놓여 있는 질량이 2kg인 물체 B위에 질량 1kg인 물체 A를 올려 놓는다고 생각해봅시다. A에는 아래 방향의 중력과 B가 밀어 올리는 항력이 작용합니다. A는 움직이지 않으므로 두 힘은 평형을 이루게 됩니다. 따라서 B의 항력의 크기도 중력과 같습니다. B에는 지구가 아래 방향으로 당기는 중력과 A가 아래 방향으로 누르는 힘이 작용합니다. A가 B를 누르는 힘은 A에 작용하는 B의 항력에 대한 반작용입니다. 따라서 두 개의 힘의 크기는 동일합니다. B에 작용하는 위 방향의 힘은 책상이 물체를 밀어 올리는 힘밖에 없습니다. B는 움직이지 않으므로 B에 작용하는 알짜 힘은 0이 되어야 합니다. B에 아래 방향으로 작용하는 힘의 총합은 30N이게 됩니다.
물체가 무엇인가와 접촉해 있으면 그 사이에는 많은 경우 힘이 작용합니다. 특히 면과 면 사이에 작용하는 항력은 주로 수직 방향으로 작용하므로 수직 항력이라고 부릅니다. 그러나 면과 면 사이에 작용하는 모든 힘이 수직 방향으로 작용하지 않으며, 대표적인 거으로는 마찰력은 면에 나란한 방향으로 작용합니다. 수직 항력을 책상 면을 이루는 분자들 사이의 반발에 의한 것으로 외부에서 누르는 힘에 대한 저항력이라고 생각할 수 있습니다. 탄성의 경우와 마찬가지로 항력도 견딜 수 있는 한계가 있습니다. 외력이 커지면 책상 면이 버틸 수 있는 한계까지 수직 항력은 증가할 것입니다. 만일 책상 면이 버틸 수 있는 힘보다 큰 무게를 가진 물체가 책상 위에 올려진다면, 책상은 부서지고 물체는 알짜 힘을 받아 아래로 떨어질 것입니다.
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