많은 사람이 지루한 일상에서 벗어나 활기를 충전하기 위해 놀이동산에 갑니다. 놀이동산에 가면 새로운 세상을 탐험하는 모험가가 될 수 있고 짜릿한 스릴을 느낄 수도 있거든요. 그런데 놀이기구를 타면 왜 스릴을 느낄까요? 우리는 항상 지구로부터 일정한 중력을 받고 있습니다. 놀이기구를 타면 중력뿐 아니라 가속에 의한 힘이 함께 작용해, 마치 무중력 상태처럼 느껴지기도 합니다. 이렇게 놀이기구는 일상의 경험과는 다른 새로운 짜릿함을 줍니다. 자 이제 놀이동산에 가서 빙글빙글 도는 회전컵을 탄다고 상상해 보세요. 회전컵이 천천히 돌아가다가 점점 더 빨라지면 우리 몸이 튕겨 나갈 듯이 밖으로 쏠립니다. 왜 이런 현상이 일어날까요? 모든 물체는 운동 상태를 유지하려는 성질이 있는데 이를 관성이라 합니다. 움직이는 물체는 그 움직임을 그대로 유지하고 정지한 물체는 계속 정지해 있으려고 하는 성질이죠. 움직임을 그대로 유지한다는 건 일정한 속력으로 움직이던 방향 그대로 계속 움직인다는 뜻입니다. ‘움직이는 모든 건 결국 다 멈추지 않나?’라는 의문이 들 수도 있습니다. 운동 상태를 유지하려면 외부에서 아무 힘이 작용하지 않아야 합니다. 움직이던 것이 멈추는 이유는 바닥과의 마찰력이나 공기 저항으로 받는 힘 때문입니다. 우주 공간처럼 마찰이나 공기 저항이 거의 없는 환경에서는 물체가 멈추지 않고 계속 일정한 속력으로 움직입니다. 자 이제 회전컵처럼 회전하는 운동을 생각해 볼까요? 어떤 축을 기준으로 돌아가는 운동을 원운동이라고 합니다. 원운동이 일어나려면 회전 운동의 중심 방향으로 작용하는 힘인 구심력이 꼭 필요합니다. 구심력이 없으면 관성에 의해 물체나 사람이 날아가 버릴 겁니다. 줄에 돌멩이를 묶어 돌리는 걸 상상해 보세요. 줄을 놓으면 돌이 관성에 의해 줄을 놓는 순간의 움직임 그대로 날아갑니다. 줄을 잡고 있으면 돌멩이는 계속 원운동을 합니다. 그런데 돌멩이를 충분히 빨리 돌리지 않으면 줄이 팽팽해지지 않아 돌멩이가 출렁거리듯 불안정하게 움직입니다. 반대로 너무 빨리 돌리면 줄을 놓치거나 줄이 끊어져서 날아가 버릴 수도 있습니다. 돌멩이가 날아가지 않고 원운동을 할 수 있게 줄을 꽉 잡고 있는 힘이 바로 돌멩이에 작용하는 구심력이랍니다. 빨리 돌면 돌수록 더 큰 힘으로 붙잡고 있어야 하고 느려지면 조금 느슨하게 잡고 있어도 괜찮습니다. 또 다른 예는 우리 지구 주위를 돌고 있는 달에서도 찾을 수 있습니다. 지구와 달 사이에 작용하는 중력이 바로 달의 원운동에 대한 구심력입니다. (일정한 거리에서 지구와 달 사이에 작용하는 중력은 물리 법칙에 따라 정해진 것이고 우리가 조절할 수 없습니다.) 만약 달의 공전 속력이 지금보다 더 빨라진다면 원운동을 유지하는 데 필요한 구심력이 중력보다 커야 합니다. 이 경우 달은 원 궤도를 유지하지 못하고 지구에서 멀어지는 방향의 새로운 궤도로 움직이게 됩니다. 반대로 달의 공전 속력이 느려지면 필요한 구심력이 중력보다 작아 달은 더 작은 반지름의 타원 궤도로 움직이며 지구에 더 가까워집니다. 이렇듯 원운동의 속력에 맞는 적절한 구심력이 작용해야만 원운동을 할 수 있답니다. 이제 회전컵을 타면 몸이 밖으로 쏠리는 이유를 알아볼까요? 사실 나를 밖으로 밀어내는 실제 힘은 없습니다. 회전컵 안에 있는 우리에게 작용하는 힘은 회전 중심으로 향하는 구심력입니다. 우리는 관성 때문에 회전하지 않으려고 하지만 구심력이 우리의 운동 방향을 계속 바꾸고 있기 때문에 몸이 쏠리는 겁니다. 이처럼 어떤 힘이 작용해 운동 상태를 바꾸려고 할 때 그 상태를 유지하려는 성질이 나타나는데 이를 관성력이라고 합니다. 관성력은 실재하는 힘이 아닙니다. 어떤 힘이 작용해 우리의 운동 상태를 바꾸려 하기 때문에 이를 유지하려는 관성 때문에 나타나는 것입니다. 예를 들어 일정하게 달리던 자동차가 갑자기 정지하면 우리는 앞으로 쏠리는 힘을 느낍니다. 실제로는 자동차를 멈추려고 진행 반대 방향으로 힘이 작용한 것이지만 차 안에 있는 우리는 앞으로 나아가려는 관성 때문에 앞으로 밀리는 관성력을 느끼는 겁니다. 원운동에선 이러한 관성력을 원심력이라고 합니다. 회전컵 안에서 몸이 밖으로 쏠리는 이유는 바깥 방향으로 느껴지는 원심력 때문이랍니다. 잠깐! 우리가 서 있는 지구도 원운동인 자전을 하고 있는데 왜 밖으로 튕겨 나가는 힘을 받지 않는 걸까요? 우리가 받는 중력에 비해 지구 자전으로 생기는 바깥 방향의 관성력(원심력)이 약 0.3 % 정도로 매우 작아서 느끼지 못하는 겁니다. 하지만 지구에서도 관성력의 효과를 찾아볼 수 있습니다. 태풍이 북반구에서는 반시계 방향으로, 남반구에서는 시계 방향으로 회전하는 것도 이런 관성력 때문입니다. 이러한 효과를 코리올리 효과(Coriolis force)라고 합니다. 이처럼 다른 힘이 작용해 실재하지 않는 관성력을 느끼는 경우를 비관성계라고 부릅니다. 반면 아무 힘이 작용하지 않아 정지해 있거나 일정한 속력으로 똑바로 움직이는 경우를 관성계라 부릅니다. 관성력은 실재하지 않지만, 비관성계에서만 운동 상태를 유지하려는 성질 때문에 나타납니다. 놀이동산에 숨은 물리학의 비밀 참 흥미롭지 않나요? 놀이동산은 지루한 일상에 즐거움을 더해주는 오락 공간이기도 하지만 따분하게 느껴졌던 물리 법칙들을 직접 몸으로 체험할 수 있는 공부 공간이기도 합니다. 놀이기구에 숨은 과학적 원리를 안다면 더 즐겁고 짜릿한 경험을 할 수 있을 것입니다.