과학에서의 일

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

우리가 공부하는 과학 과목은 크게 화학 / 물리 / 생물 / 지구과학, 이렇게 네 개의 분야로 나눌 수 있습니다. 

● 중학교 과학단원, 분야별로 분류하기

이번 시간에 공부할 내용은 중·고등학교 물리 파트의 시작이자 기초가 되는 부분입니다. 그래서 용어부터 개념까지 차근차근 설명드리도록 하겠습니다.

*** 과학에서 말하는 힘

■ 힘의 정의

모든 학습의 기초는 용어의 정의를 명확하게 아는 것이 우선이라고 생각합니다.

과학에서의 '일'을 이해하기 위해서는 과학에서 말하는 '힘'의 정의를 정확히 알아야합니다.

참고로 과학에서 힘은 영어로 'Force'라고 합니다. 힘의 기호는 첫 글자를 따와서 'F'로 표시합니다. 또한 힘의 단위는 1학년 때 배운 것처럼 뉴턴(N)을 사용합니다.

과학에서의 힘은 아래와 같이 정의합니다.

물체의 모양이나 운동 상태(속도, 방향)를 변화시키는 원인

즉, 물체의 모양이나 운동 상태가 변하지 않는다면 과학적으로 힘이 작용하지 않았다고 본다는 것입니다. 당연히 '공부하느라 힘이 든다'라는 표현에서의 힘은 과학에서 말하는 힘이 아니겠지요.

■ 알짜힘 = 합력

과학에서 이야기하는 '알짜힘' or '합력'이란 물체의 작용하는 모든 힘을 합친 것을 말합니다. 예를 들어 어떤 물체에 오른쪽으로 1N의 힘이 작용하고, 반대 방향인 왼쪽으로 1N의 힘이 작용한다고 생각해봅시다. 이렇게 되면 물체에 작용하는 실제적인 힘은 0N이 되겠지요.

1학년 때 배운 마찰력에 대해 잠깐 복습을 해봅시다.

● 마찰력

바닥에 정지해 있는 물체를 오른쪽으로 3N의 힘을 주어 끌었지만 움직이지 않았다고 합시다. 정지해있는 물체가 움직이지 않았다면, 운동 상태가 변하지 않았다는 것을 의미하죠. 운동 상태가 변하지 않았다는 것은 '힘이 작용하지 않았다'고 볼 수 있고요. 즉 물체에 작용한 알짜힘이 0N 이기 때문에 움직이지 않은 것입니다.

그렇다면 어떤 힘이 어느 방향으로 얼마나 작용했기때문에 알짜힘이 0이 된 것일까요? 네, 바로 물체와 바닥 사이에 작용하는 마찰력이 힘의 반대방향인 왼쪽으로 3N 작용했기 때문에 물체가 움직이지 않은 것입니다. 이제 알짜힘에 대한 개념이 조금 잡히시죠?

중간 정리를 한 번 해볼까요? ^^

▶ 힘(F) [단위: N(뉴턴)]

물체의 모양이나 운동 상태를 변화시키는 원인

▶ 알짜힘

물체에 작용하는 모든 힘의 합

*** '등속 직선 운동' 이해하기

'등속 직선 운동'이란 속력이 일정하고(等速, 등속), 방향이 변하지 않는(直線, 직선) 운동을 말합니다. 속력과 방향이 일정하게 유지되는 운동이죠.

이 운동을 '힘'과 관련지어 다시 생각해봅시다.

힘은 물체의 모양이나 운동 상태(속력, 방향)을 변화시키는 원인이라고 정의했습니다.

그렇다면 속력이나 방향이 변하지않고 일정하게 유지되는 등속 직선 운동을 하는 물체에 작용하는 알짜힘은 얼마일까요? 바로 0입니다.

'물체가 움직이고 있는데 힘이 0이라구?'

라고 생각할 수 있겠지만, 여기서부터 과학적으로 물체의 운동을 이해하는 것이 물리 공부의 출발이라고 할 수 있습니다.

- 힘은 물체의 속력, 방향을 변화시키는 원인이다

- 등속 직선 운동은 속력, 방향이 변하지 않는다

- 그렇다면 등속 직선 운동하는 물체에는 속력, 방향을 변화시키는 원인이 없다

- 그래서 등속 직선 운동하는 물체에 작용하는 알짜힘은 0이다

이렇게 생각할 수 있어야 합니다.

교과서나 참고서에 나오는 예로는 우주 공간에서 마찰없이 등속 직선 운동하는 물체나 마찰이 없는 얼음판 위에서 등속 직선 운동하는 물체 같은 경우 작용하는 알짜힘이 0이라고 설명하고 있습니다.

용어의 정의를 명확하게 알고 있지 않으면 학습의 기초부터 흔들리게 됩니다. 용어의 정의를 뼈대로 조금씩 개념을 확장시켜나가는 것이 중요합니다.

*** 과학에서의 일

과학에서 말하는 '힘(F)'에 대해서 알아보았습니다. 이제 과학에서 말하는 '일'이란 무엇인지 알아보도록 합시다.

과학에서 일은 영어로 'Work'라고 합니다. 일의 기호는 첫 글자를 따와서 'W'로 표시합니다.

과학에서의 일은 아래와 같이 정의합니다.

물체에 힘을 작용해 힘의 방향으로 물체를 이동시키는 것

일에 대해서 공부하려면 이 정의가 정말 중요합니다.

과학에서 '일을 했다'라고 말하려면 정의에 나오는 조건이 모두 충족되어야 합니다.

첫째, 물체에 힘이 작용해야 합니다.

둘째, 작용한 힘의 방향으로 물체가 움직여야 합니다. 힘의 방향이 아닌 곳으로 움직인 것은 일이라고 보지 않습니다.

셋째, 작용한 힘의 방향으로 이동한 거리가 있어야 합니다. 힘을 작용했지만 움직이지 않았다면 과학에서 말하는 일을 했다고 할 수 없습니다.

*** 과학에서의 일을 하지 않은 경우

자, 그럼 일에 대한 정의를 이용해서 과학에서 일을 하지 않은 경우를 생각해봅시다.

■ 물체에 작용하는 힘이 없을 때

작용하는 힘이 없다라는 말은 물체에 작용하는 알짜힘이 0인 경우를 말합니다.

대표적인 예로 마찰력이 없는 곳에서 등속 직선 운동하는 물체를 들 수 있겠네요.

■ 물체가 이동한 거리가 없을 때

힘을 주었지만 물체가 이동한 거리가 0이라면 일의 양도 당연히 0입니다.

벽을 열심히 밀었지만 움직이지 않았다거나, 무거운 물체를 들고 가만히 서있는 것은 일을 했다고 볼 수 없습니다.

■ 힘의 방향으로 이동한 거리가 없을 때

교과서나 참고서에서는 이 항목을 '힘의 방향과 이동방향이 수직일 때'라고 설명하는데요, 이렇게 공부하면 조금 혼란스러울 수 있습니다.

물체가 움직이더라도 힘의 방향으로 이동한 거리가 0일 때, 일의 양도 0이라고 생각하는 편이 훨씬 좋다고 생각합니다.

아주 대표적인 예로 물체를 들고 수평 방향으로 걸어가는 것을 생각해봅시다.

'물체를 들고 있다'라는 것은 중력과 같은 크기의 힘으로, 중력의 방향과 반대로 힘을 작용하고 있다라는 이야기죠. 이 사람은 노란색 방향으로 힘을 작용하고 있습니다.

이 사람이 물체를 든 상태로 수평 방향을 향해 걸어갔습니다. 물론 물체는 수평 방향으로 이동거리가 생기죠. 하지만 이 사람이 물체의 작용하는 힘의 방향으로는 아주 조금도 물체가 움직이지 않습니다.

이렇게 물체가 이동을 하지만, 작용하는 힘의 방향으로 이동하는 거리가 없다면 과학에서는 일을하지 않았다고 생각합니다.

자, 그렇다면 다른 상황을 통해서 조금더 이해해보도록 합시다.

▶ 물체를 들고 계단을 올라갈 때

이번에는 물체를 든 상태로 계단을 올라가는 운동을 생각해봅시다. 물체를 들고 계단을 '올라간다'라는 것은 물체에 작용하는 힘의 방향으로 계단의 높이 만큼 이동거리가 생깁니다. 하지만 초록색으로 표시한 수평방향으로 이동한 거리는 일을 한 거리가 아닙니다. 수평 방향으로는 힘을 작용하지 않았기 때문이지요.

즉, 계단을 이용하더라도 과학에서 인정하는 일의 양은 노란색 높이 만큼 물체를 이동시킨 것만 인정이 됩니다.

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이번 학습자료는 매우 중요한 내용을 다루고 있습니다. 중·고등학교 물리 파트의 시작이라고 할 수 있는 '힘과 일'에 대한 개념을 잡는 시간이었죠.

과학에서 말하는 '힘', 과학에서 말하는 '일'을 용어의 정의를 통해 이해하고, 등속 직선 운동에 대한 내용까지 완벽하게 이해하셔야 앞으로 이어지는 내용도 쉽게 공부하실 수 있을거에요.

다음 시간에는 일의 양을 나타내는 단위와 일의 양을 구하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다. 이번 학습 자료의 내용을 꼭 충분히 공부해주세요 ^^

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