바퀴의 회전부터 관성, 원심력에 관한 호기심

회전하는 바퀴의 원리

바퀴의 회전

세차운동

세차운동이란 회전하는 바퀴나 지구 등을 생각하면 이해하기가 쉽다. 물체의 회전축이 고정되어 있고 그 축의 둘레를 회전하는 현상이 세차운동이다. 지구의 자전축이 세차운동이다. 그러니까 세차 운동은 회전하고 있는 물체에서 일어나고 있는 운동이다. 고정되어있는 자전거의 바퀴를 돌려보자. 이때 바퀴는 내가 보내는 방향으로 가지 않고 회전축을 기준으로 회전한다. 이것이 바로 바퀴에 일어나고 있는 세차운동이다. 이 운동은 자전거가 달릴 때도 자전거가 똑바로 서서 쓰러지지 않게 작용한다. 우리가 자전거를 탈 때 빠르게 달릴수록 쓰러지지 않고 중심이 잘 잡히고 속도가 느려지면 쓰러질 듯 비틀거리는데 이것은 빠르게 달라면 세차운동의 힘이 세지고 느려지면 힘이 약해지기 때문이다. 하지만 한 가지 더 기억해야 할 것은 우리가 자전거 위에서 똑바로 앉아있을 수 있는 것은 세차운동의 영향이 아니라 단지 균형을 잡는 것이다.  

 

관성이란?

우리가 시동을 걸지 않은 자동차를 밀 때 관성의 법칙을 알 수 있다. 정지해 있는 차를 밀어서 움직일 때 처음에는 아주 강한 힘으로 밀어야 하지만 일단 움직이기 시작하면 그 뒤로는 밀지 않아도 일정 거리를 움직이게 된다. 이렇듯 정지해 있는 물체를 움직일 때 항상 관성이 적용된다. 관성은 속도가 변하는 것에 대한 물체가 가진 저항이다. 지구상의 모든 물체는 모두 관성을 가지고 있어서 움직임이 없을 때에도 관성이 작용한다. 이 관성의 크기는 물체의 질량과 비례해서 질량이 클수록 관성도 크다. 회전하는 바퀴에도 관성이 적용되지만 그뿐 아니라 질량의 분포도에 따라서도 크기가 달라진다. 바퀴의 종류에 따라 중심부와 테두리의 질량 차이가 얼마나 크냐가 관성의 크기를 결정한다. 천체 질량이 같은 바퀴에서도 질량의 분포도가 다른 바퀴라면 차이가 난다. 기계의 용도에 따라 이 관성을 이용하기도 하는데 속도의 변화에 최대한 저항을 주기 위해 일부러 테두리를 무겁게 하거나 두텁게 만들기도 한다. 

 

원심력이란?  

놀이공원 회전 그네나 롤러코스터 쥐불놀이 등은 원심력을 이용한 놀이이다. 원운동을 하는 것은 항상 중심에서 바깥쪽으로 멀어지려는 성질을 가지는데 이것이 바로 원심력이다. 하지만 물체가 원 운동을 벗어나는 순간 운동 방향은 직선이 되어버린다. 이런 원리를 적용한 대표적인 생활용품이 세탁기의 탈수기능이다. 원심력이 발생하는 원운동의 중심에도 또 다른 힘이 생긴다. 이것을 구심력이라고 하는데 구심력은 일정한 힘을 원운동 하는 물체의 운동 방향에서 수직 방향으로 작용한다.  

 

관성의 작용

장난감 자동차를 멀리 보내려 할 때 바닥에 차 바퀴를 굴렸다 떼기를 몇 번 한 다음에 내려놓으면 빠르게 달려간다. 처음에 처음 몇 번 바퀴를 굴릴 때 관성바퀴 (플라이휠)에 에너지가 저장되고 관성바퀴에 저장된 에너지가 내려놓았을 때 빠르게 달리도록 해주는 것이다. 또 한 가지 자동차의 안전벨트를 살펴보면 천천히 당길 때는 줄이 잘 나오지만 갑자기 빠르게 당겼을 때 걸리면서 안 나오는데 이로써 사고 발생 시 탑승한 사람을 보호한다. 이렇게 빨리 당겼을 때 멈추는 것은 안전벨트가 감겨있는 중심에 원심클러치가 있기 때문이다. 벨트가 빨리 당겨지면 안에서 톱니가 달린 핀이 클러치 안쪽에서 빠르게 회전하면서 원심력이 작용해 안쪽 표면의 톱니에 맞물리며 벨트가 풀리는 것이 멈추는 것이다. 이후 안전벨트가 느슨해지면 스프링이 부품들을 제자리로 달아가게 한다. 

 

자이로스코프

바퀴의 축을 3개의 고리에 연결해서 어떤 방향이든 회전할 수 있도록 만들어놓은 장치이다. 회전하는 자이로스코프는 회전축의 한쪽 끝을 고정하면 그 고정점으로 중력을 무시하며 균형을 유지한다. 그러면서 자이로스코프가 회전축 아래로 떨어지지 않고 그 둘레를 돌면서 수평을 유지할 수 있다. 자이로스코프의 회전 바퀴에도 당연히 중력이 작용하지만 회전하고 있는 동안 세차운동이 일어나고 아래로 작용하는 중력을 원운동으로 바꿔 중력을 거스르게 만드는 것이다. 

 

 

자이로컴퍼스(회전 나침반)

회전 나침반은 자이로스코프를 이용해서 방향을 가리킨다. 자기를 쓰는 나침반은 정확도가 떨어지기 때문에 자기를 쓰지 않는 회전 나침반을 사용한다. 회전 나침반은 자이로스코프를 사용하여 방향을 가리키는 기계다. 자이로스코프는 회전자(로터)의 축이 남쪽과 북쪽을 가리키며 돌게 되어있다. 지시계는 자이로스코프와 연결되어 있어 선박이나 항공기가 방향을 바꿀 때에도 항상 북쪽을 가리키도록 되어 있다. 그러나 정확한 회전 나침반의 지시 바늘도 북쪽에서 벗어날 경우가 있어 이것을 수정해야 한다. 일부 회전 나침반에서는 지구중력을 사용해 자동 수정하기도 한다. 자이로스코프에는 진자 역할을 하는 수은관과 같은 추의 기능이 있어 회전 나침반의 표시 바늘이 북쪽에서 멀어질 때 진자가 로터의 축을 기울이도록 한다. 그러면 세차 운동이 일어나고 축은 다시 북쪽을 향하게 된다.