일상 속 물리 - 엘리베이터
아침을 먹고 나면, 출근을 위해 옷을 갈아입고 단장을 한다. 가방 안에 차 키가 있는 것을 확인하고는 가방을 메고 현관을 나와 엘리베이터를 탄다. 엘리베이터를 타면, 어렸을 때 등교를 하기 위해 버스를 타던 생각이 나곤 한다.
버스를 타면, 버스 운전 기사의 운전에 따라 몸이 앞으로 뒤로 움직이고 버스가 커브를 돌면 몸이 커브길의 바깥 쪽으로 쏠린다. 이것은 운동에 따른 물체의 관성 때문이다. 관성에 대해서 체계적으로 설명한 사람은 바로 갈릴레오이다.
갈릴레오 갈릴레이는 1564년 2월 15일, 이탈리아 피사에서 태어났다. 그의 아버지 빈센초 갈릴레이는 유명한 류트 연주자였으며, 음악 이론가이기도 했다. 빈센초는 음악의 실험적 연구와 수학적 분석을 통해 음악 이론을 발전시키는 데 많은 기여를 했다. 빈센초는 음향학에 관한 연구도 진행하기도 했다. 빈센초는 갈릴레오에게 수학과 음악을 가르쳤는데, 그런 빈센초의 영향으로 갈릴레오는 수학적 사고와 논리적 사고를 발전시킬 수 있었다.
갈릴레오의 가족은 그가 10살이 되던 해, 피사에서 피렌체로 이사를 하게 된다. 피렌체는 당시 르네상스의 중심지로, 예술과 과학이 활발하게 발전하던 도시였다. 피렌체에서 갈릴레오는 베네딕트 수도원 학교에 다녔으며, 여기서 라틴어, 그리스어, 논리학 등을 배우며 학문에 대한 열정을 키우게 된다.
빈센초 갈릴레이는 음악가이자 음악 이론가로서 중요한 학문적 기여를 했지만, 음악가로서의 불안정한 수입, 6명의 자녀를 양육해야 하는 대가족 부양의 부담 등으로 경제적 어려움을 겪었다. 이러한 이유로 의사라는 직업이 명예로울 뿐만 아니라 안정적이라고 생각한 빈센초는 아들이 의사가 되어 가족의 경제적 안정을 도모할 수 있기를 바랐다. 아버지의 뜻에 따라 갈릴레오는 피사 대학교에 입학하여 의학을 공부하지만, 피사 대학교 수학 교수인 오스틸리오 리치의 강의를 듣고 수학과 자연 철학에 더 큰 흥미를 느끼게 된다. 결국 갈릴레오는 의학을 포기하고 수학과 물리학을 공부한다.
갈릴레오가 살았던 시대에 물체의 운동에 대한 사람들의 생각은 주로 아리스토텔레스의 고전적인 관점에 기초하고 있었다. 아리스토텔레스는 물체는 그 고유의 본성에 따라 움직인다고 주장했다. 즉, 무거운 물체는 아래로 떨어지고, 가벼운 물체는 위로 올라가려 하고, 물체는 힘이 가해지는 동안에만 움직이며, 힘이 사라지면 물체는 멈춘다고 하였다. 그리고 무거운 물체는 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어진다고 주장했으며 물체가 움직이려면 지속적인 외부 힘이 필요하다고 믿었다. 즉, 외부 힘이 없으면 물체는 정지한다고 하였다.
갈릴레오는 이러한 전통적인 관점에 도전하고, 물체의 운동에 대한 새로운 이해를 제시했다. 갈릴레이는 마찰이 없는 경사면을 내려오는 물체를 생각했다. 경사면을 내려온 물체는 수평면을 따라 운동할 것이고, 그 앞에 위쪽으로 기울어진 경사면이 있으면, 경사면을 따라 출발점과 같은 높이에 도달할 때까지 올라갈 것이라 생각했다. '만약 수평면으로 내려온 물체 앞에 경사면이 없다면 물체는 과연 어떻게 될 것인가?'에 대한 의문에 갈릴레이는 처음 출발점과 같은 높이에 올라가지 못하므로 계속해서 굴러갈 것이라는 결론을 내리게 된다. 이러한 사고 실험으로 갈릴레오는 외부 힘이 없다면, 물체는 그 운동 상태를 계속 유지하려 할 것이라는 관성의 개념을 제시하였다.
갈릴레오의 이러한 사고 실험은 후에 아이작 뉴턴이 그의 제 1 법칙(관성의 법칙)을 정립하는 데 중요한 기초가 되었다. 뉴턴의 제 1 법칙은 "모든 물체는 외부에서 힘이 작용하지 않는 한, 정지 상태에 있거나 등속 직선 운동을 계속하려 한다"는 내용을 담고 있다. 이 법칙으로 버스에 탄 승객이 버스의 운동에 따라 몸이 흔들리는 것을 설명할 수 있다. 정류장에 정차한 버스를 탔을 때, 운전 기사가 엑셀을 밟으면, 정지해 있던 버스는 출발을 한다. 그러면, 승객들은 관성에 의해 정지 상태를 유지하려 하면서 버스 뒤쪽으로 밀리게 된다. 반대로 달리던 버스가 정지하면, 승객들은 관성에 의해 운동 상태를 유지하려 하면서 버스 앞쪽으로 밀리게 된다.
과거, 엘리베이터의 기술이 지금처럼 발달하기 전에는 엘리베이터가 위로 올라가기 위해 출발하거나 위로 올라가다가 멈추는 경우 이러한 관성의 효과를 직접 체험할 수 있었다. 엘리베이터가 정지 상태에서 위로 올라가는 경우에는 몸이 정지 상태를 유지하려는 관성에 의해 아래쪽으로 관성력이 작용하여, 몸무게가 무거워지는 것처럼 느끼게 되고, 올라가던 엘리베이터가 멈추는 경우에는, 몸이 운동 상태를 유지하려는 관성에 의해 위쪽으로 관성력이 작용하여. 몸무게가 무거워지는 것처럼 느끼게 된다.
어렸을 때, 엘리베이터를 타면, 엘리베이터가 출발할 때와 멈출 때마다 몸무게가 순간 변하는 것이 잘 느껴졌는데, 요즘 엘리베이터는 그런 느낌이 거의 없다. 엘리베이터에 어떤 비밀이 있는걸까?
