생활 속 물리 퀴즈 12문제 - 관성과 급정거, 마찰과 빙판길, 지레의 원리, 압력과 못, 부력과 배, 표면장력, 열전도와 금속 손잡이, 대류와 에어컨 위치, 복사와 보온병, 진공과 소리, 빛의 굴절, 원심력과 구심력

정답과 해설

1. 달리던 버스가 급정거할 때 승객의 몸이 앞으로 쏠리는 이유는? — 정답: 몸이 원래의 운동 상태를 유지하려는 성질 때문에 버스만 멈추고 몸은 계속 앞으로 나아가려 하기 때문. 관성은 물체가 지금의 운동 상태를 그대로 유지하려는 성질입니다. 버스가 달리는 동안 승객의 몸도 같은 속도로 움직이고 있었는데, 브레이크는 버스에만 작용하므로 좌석과 바닥에 단단히 붙어 있지 않은 상반신은 원래 속도로 계속 나아가려 합니다. 그래서 몸이 앞으로 쏠린 것처럼 느껴지지만, 앞으로 미는 힘이 새로 생긴 것이 아니라 뒤로 잡아 주는 힘이 부족한 것입니다. 출발할 때 몸이 뒤로 젖혀지는 것도 같은 이유로, 정지해 있던 몸이 그 상태를 유지하려 하기 때문입니다. 안전벨트와 손잡이는 부족한 그 힘을 대신 만들어 주는 장치이고, 에어백은 멈추는 데 걸리는 시간을 늘려 몸에 가해지는 힘을 줄이는 원리입니다.
2. 눈길이나 빙판에서 자동차가 잘 멈추지 못하는 이유로 가장 정확한 것은? — 정답: 노면과 타이어 사이의 마찰이 작아져 같은 속도라도 제동거리가 크게 길어지기 때문. 차를 멈추게 하는 힘은 브레이크 자체가 아니라 결국 타이어와 노면 사이의 마찰입니다. 브레이크는 바퀴의 회전을 늦출 뿐이고, 그 힘이 도로로 전달되지 않으면 차는 미끄러집니다. 마른 아스팔트의 마찰계수가 0.7 안팎이라면 젖은 노면에서는 그보다 낮아지고 빙판에서는 0.1 수준까지 떨어져, 같은 속도에서 멈추는 데 필요한 거리가 몇 배로 늘어납니다. 제동거리는 속도의 제곱에 비례하므로 속도를 절반으로 줄이면 거리는 약 4분의 1이 되고, 겨울철 감속이 강조되는 이유가 여기에 있습니다. ABS는 바퀴가 완전히 잠기는 것을 막아 조향 능력을 남겨 두는 장치이지 제동거리를 마법처럼 줄여 주는 장치가 아닙니다.
3. 지레에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 힘점이 받침점에서 멀수록 작은 힘으로 물체를 움직일 수 있고, 대신 손을 더 많이 움직여야 한다. 지레는 받침점, 힘을 주는 힘점, 물체에 힘이 전달되는 작용점으로 이루어집니다. 받침점에서 힘점까지의 거리가 작용점까지의 거리보다 멀면 작은 힘으로도 큰 힘을 낼 수 있습니다. 다만 공짜는 아닙니다. 힘이 줄어든 만큼 움직여야 하는 거리가 늘어나서, 힘과 거리를 곱한 일의 양에서는 이득이 없습니다. 가위는 받침점인 나사가 가운데 있어 손잡이를 길게 하고 날을 짧게 하면 두꺼운 것도 자를 수 있고, 병따개나 손톱깎이처럼 받침점이 한쪽 끝에 있는 도구도 같은 규칙으로 설명됩니다. 종이용 가위처럼 날을 길게 만든 도구는 힘 대신 한 번에 자르는 길이를 얻은 설계입니다.
4. 못의 끝이 뾰족하고 스키의 바닥이 넓적한 이유를 설명하는 개념은? — 정답: 같은 힘이라도 닿는 면적이 좁으면 압력이 커지고 넓으면 압력이 작아지기 때문. 압력은 힘을 닿는 면적으로 나눈 값입니다. 망치로 때리는 힘이 같아도 못 끝의 면적이 아주 작으면 그 지점의 압력은 대단히 커져서 나무를 파고듭니다. 반대로 스키나 스노보드는 바닥이 넓어 같은 몸무게가 넓은 면적에 퍼지므로 눈에 가하는 압력이 작아지고, 그래서 푹 빠지지 않고 미끄러집니다. 낙타의 넓은 발바닥, 무거운 건물의 넓은 기초, 배낭의 두꺼운 어깨끈도 같은 계산입니다. 칼을 갈면 잘 드는 것도 힘이 세져서가 아니라 날의 접촉 면적이 줄어 압력이 커지기 때문이고, 무딘 칼이 오히려 위험한 이유는 더 큰 힘을 주다가 미끄러지기 때문입니다.
5. 강철로 만든 배가 물에 뜨는 이유로 맞는 것은? — 정답: 속이 비어 있어 배 전체의 평균 밀도가 물보다 작고, 밀어낸 물의 무게만큼 부력을 받기 때문. 부력은 물속에 잠긴 부분이 밀어낸 물의 무게만큼 위로 작용하는 힘입니다. 아르키메데스의 원리로 알려진 이 관계 덕분에, 배가 물에 잠기면서 밀어낸 물의 무게가 배 전체의 무게와 같아지는 지점에서 균형을 이루고 그대로 떠 있게 됩니다. 강철 덩어리는 가라앉지만 같은 강철로 속이 빈 형태를 만들면 부피가 크게 늘어나 평균 밀도가 물보다 작아지므로 뜰 수 있습니다. 그래서 배에 구멍이 나 물이 들어차면 평균 밀도가 올라가 가라앉습니다. 사람이 수영할 때 숨을 크게 들이마시면 잘 뜨는 것도 폐의 공기가 부피를 늘려 평균 밀도를 낮추기 때문이고, 소금물은 민물보다 밀도가 커서 같은 부피를 밀어냈을 때 부력이 조금 더 큽니다.
6. 소금쟁이가 물 위에 서 있고 작은 물방울이 둥글게 뭉치는 현상과 관련된 성질은? — 정답: 물 분자끼리 서로 끌어당겨 표면적을 최소로 줄이려는 표면장력. 물 분자는 서로 강하게 끌어당깁니다. 물속의 분자는 사방에서 당겨지지만 표면의 분자는 위쪽에 당겨 줄 이웃이 없어 안쪽으로만 당겨지고, 그 결과 표면이 최대한 좁아지려는 성질이 생깁니다. 이것이 표면장력이고, 같은 부피에서 표면적이 가장 작은 모양이 구이기 때문에 작은 물방울은 둥글어집니다. 소금쟁이는 다리 끝의 가는 털과 물이 잘 묻지 않는 구조 덕분에 표면을 뚫지 않고 눌러 놓기만 해서 그 위에 서 있을 수 있습니다. 비누나 세제는 표면장력을 낮춰 물이 옷감과 그릇 틈으로 잘 스며들게 만드는 역할을 하고, 그래서 비눗물에서는 소금쟁이가 가라앉습니다.
7. 같은 방 안에 있던 금속 손잡이가 나무 손잡이보다 차갑게 느껴지는 이유는? — 정답: 금속이 열을 훨씬 빨리 전달해 손의 열을 빠르게 빼앗아 가기 때문이며, 두 물체의 온도 자체는 같다. 같은 공간에 오래 놓여 있었다면 금속과 나무의 온도는 같습니다. 다른 것은 열을 옮기는 속도입니다. 우리 피부는 온도를 직접 읽는 것이 아니라 열이 얼마나 빠르게 빠져나가는지를 느끼는데, 금속은 열전도율이 나무보다 수백 배 높아 손이 닿는 순간 열을 빠르게 가져갑니다. 그래서 더 차갑게 느껴집니다. 반대로 뜨거운 냄비에서는 금속이 훨씬 위험하게 느껴지는데, 같은 이유로 열이 빠르게 손으로 들어오기 때문입니다. 냄비 손잡이를 플라스틱이나 나무로 만들고 겨울에 금속 난간을 맨손으로 오래 잡지 말라고 하는 이유가 여기에 있습니다. 스티로폼과 오리털이 따뜻한 것도 그 안에 갇힌 공기가 열을 잘 전달하지 않기 때문입니다.
8. 에어컨은 보통 높은 곳에, 난방기는 낮은 곳에 두는 이유는? — 정답: 찬 공기는 밀도가 커서 아래로 내려가고 더운 공기는 위로 올라가므로, 그 흐름을 이용해야 실내 공기가 잘 순환하기 때문. 공기는 따뜻해지면 부피가 늘어 밀도가 작아지므로 위로 올라가고, 차가워지면 밀도가 커져 아래로 가라앉습니다. 이렇게 물질이 직접 이동하며 열을 옮기는 방식이 대류입니다. 에어컨을 천장 가까이 두면 만들어진 찬 공기가 아래로 내려오면서 아래쪽의 더운 공기를 밀어 올려 방 전체가 순환하고, 난방기를 바닥 가까이 두면 데워진 공기가 위로 올라가면서 같은 순환이 만들어집니다. 반대로 설치하면 찬 공기와 더운 공기가 각각 제자리에 머물러 위아래 온도 차만 커집니다. 냉장고의 냉기 배출구가 위쪽에 있는 것, 온수 배관을 바닥에 까는 것, 선풍기를 에어컨과 함께 돌려 순환을 돕는 것도 모두 같은 원리를 이용합니다.
9. 보온병이 오랫동안 온도를 유지하는 방식으로 가장 정확한 것은? — 정답: 이중벽 사이를 진공에 가깝게 만들어 전도와 대류를 막고, 벽면을 거울처럼 처리해 복사로 나가는 열까지 줄인다. 열이 이동하는 방법은 전도, 대류, 복사 세 가지이고 보온병은 셋을 각각 막습니다. 벽을 두 겹으로 만들고 그 사이의 공기를 빼내면 열을 전달할 물질이 거의 없어 전도와 대류가 크게 줄어듭니다. 남는 것은 매질 없이 전자기파로 열이 오가는 복사인데, 벽 안쪽을 은빛으로 도금해 그 열을 반사시키면 이것도 상당 부분 되돌릴 수 있습니다. 뚜껑은 열린 입구로 빠져나가는 대류를 막는 마개 역할입니다. 그래서 보온병은 뜨거운 것뿐 아니라 차가운 것도 오래 유지하고, 이 구조가 완벽하지는 않아 시간이 지나면 결국 주변 온도에 가까워집니다. 우주선의 다층 단열재와 창문의 로이 유리도 같은 발상으로 만들어졌습니다.
10. 우주 공간처럼 진공인 곳에서 소리와 빛에 대한 설명으로 맞는 것은? — 정답: 소리는 매질의 진동으로 전달되므로 진공에서는 전달되지 않지만, 빛은 매질 없이도 나아간다. 소리는 공기나 물, 금속 같은 물질의 입자가 밀고 당기며 진동을 전달하는 파동이라, 전달해 줄 물질이 없는 진공에서는 아예 생기지 않습니다. 우주에서 폭발이 굉음과 함께 표현되는 영화 장면이 물리적으로는 맞지 않는 이유입니다. 반면 빛은 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내며 스스로 나아가는 전자기파여서 매질이 필요 없고, 그래서 태양빛이 진공을 건너 지구까지 옵니다. 소리는 오히려 매질이 촘촘할수록 빨리 전달돼 공기에서 초당 약 340미터, 물에서는 그보다 네 배 이상, 철에서는 훨씬 빠릅니다. 유리종 안의 공기를 빼면서 종소리가 점점 작아지는 실험이 이 차이를 보여 주는 고전적인 예입니다.
11. 물이 담긴 컵에 젓가락을 넣으면 꺾여 보이는 이유는? — 정답: 빛이 물과 공기의 경계를 지날 때 속도가 달라지면서 진행 방향이 꺾이기 때문. 빛은 물질에 따라 진행 속도가 다릅니다. 진공이나 공기에서보다 물속에서 느려지고 유리에서는 더 느려지는데, 서로 다른 두 물질의 경계를 비스듬히 지날 때 이 속도 차이 때문에 진행 방향이 꺾입니다. 이것이 굴절입니다. 물속 젓가락에서 나온 빛이 수면을 지나며 꺾인 채 눈에 들어오면, 우리 뇌는 빛이 직진해 왔다고 가정하므로 실제와 다른 위치에 있는 것으로 해석해 꺾여 보입니다. 물이 실제보다 얕아 보이는 것, 렌즈와 안경이 상을 만드는 것, 프리즘에서 빛이 색으로 갈라지는 것도 같은 현상입니다. 색마다 굴절되는 정도가 조금씩 달라 빛이 나뉘고, 비 온 뒤 공중의 물방울이 이 역할을 하면 무지개가 생깁니다.
12. 회전하는 놀이기구에서 몸이 바깥으로 밀리는 느낌에 대한 설명으로 가장 정확한 것은? — 정답: 실제로 작용하는 힘은 중심 쪽으로 잡아당기는 구심력이고, 바깥으로 밀리는 느낌은 회전하는 관찰자 입장에서 나타나는 관성의 효과다. 물체가 원을 그리며 돌려면 방향을 계속 바꿔야 하고, 그러려면 원의 중심 쪽으로 잡아당기는 힘이 반드시 필요합니다. 이 힘이 구심력이고, 자동차라면 타이어의 마찰, 놀이기구라면 안전바와 구조물, 지구를 도는 달이라면 중력이 그 역할을 합니다. 우리가 느끼는 바깥 방향의 밀림은 직진하려는 관성 때문에 생기는 감각이며, 회전하는 좌표계에서 계산할 때 편의상 도입하는 관성력이라 원심력이라고 부릅니다. 구심력이 사라지면 물체는 바깥으로 튕겨 나가는 것이 아니라 그 순간의 접선 방향으로 곧게 나아갑니다. 세탁기 탈수와 원심분리기는 물이나 무거운 성분이 구심력을 충분히 받지 못해 바깥 벽 쪽으로 빠져나가는 성질을 이용한 장치입니다.

힘이 어디에 작용하는가

급정거할 때 몸이 앞으로 쏠리는 것은 앞으로 미는 힘이 생겨서가 아니라, 원래 속도를 유지하려는 관성 때문에 뒤로 잡아 주는 힘이 부족한 것입니다. 안전벨트와 손잡이가 그 힘을 대신 만들어 줍니다. 회전할 때 바깥으로 밀리는 느낌도 같은 성격이어서, 실제로 작용하는 힘은 중심을 향하는 구심력이고 원심력은 회전하는 관찰자 입장에서 도입하는 관성력입니다. 구심력이 사라지면 물체는 바깥이 아니라 접선 방향으로 곧게 나아갑니다. 차가 빙판에서 멈추지 못하는 것도 브레이크의 문제가 아니라 타이어와 노면 사이의 마찰이 작아졌기 때문이고, 제동거리는 속도의 제곱에 비례합니다.

면적과 밀도로 갈리는 것들

압력은 힘을 면적으로 나눈 값이라 못 끝은 뾰족해 잘 박히고 스키는 넓적해 눈에 빠지지 않습니다. 부력은 밀어낸 물의 무게만큼 작용하므로, 강철 배는 속이 비어 평균 밀도가 물보다 작아진 덕분에 뜹니다. 물이 들어차면 평균 밀도가 올라가 가라앉습니다. 표면장력은 물 분자끼리 끌어당겨 표면적을 줄이려는 성질이고, 소금쟁이가 물 위에 서고 물방울이 둥근 이유가 여기에 있으며 비누는 이 힘을 낮춥니다. 지레는 힘점이 받침점에서 멀수록 작은 힘으로 움직일 수 있지만 그만큼 더 많이 움직여야 해서 일의 양에는 이득이 없습니다.

열과 파동이 옮겨 가는 길

열은 전도와 대류와 복사로 옮겨 갑니다. 같은 방의 금속이 나무보다 차갑게 느껴지는 것은 온도가 낮아서가 아니라 열을 빨리 빼앗기 때문이고, 에어컨을 높은 곳에 다는 것은 찬 공기가 아래로 내려오며 순환을 만들기 때문입니다. 보온병은 진공층으로 전도와 대류를 막고 은도금으로 복사까지 줄여 세 경로를 모두 차단합니다. 소리는 매질의 진동으로 전달돼 진공에서는 들리지 않지만 빛은 전자기파여서 매질이 필요 없고, 매질의 경계에서 속도가 달라지며 진행 방향이 꺾이는 굴절 때문에 물속 젓가락이 꺾여 보입니다.

자주 묻는 질문