뉴턴은 생각한다. 우주의 천체는 왜 빙글빙글 돌까

5,뉴턴의 프린키피아,"우주의 비밀을 캐는 힘, 구심력"

정월대보름 쥐불놀이 장면,우주의 천제를 움직이는 비밀은 바로 우리의 실생활 속 정월대보름 쥐불놀이에 숨어 있었던 것이다.

우주의 비밀을 캐는 힘, 구심력

어떤 천체가 다른 천체의 둘레를 도는 현상을

'공전'이라 한다. 지구는 태양을 중심으로 초속 30km

의 속도로 원운동을 하고 있고, 달은 지구의 둘레를

원운동 하고 있고, 우주의 움익이는 모든 천제는

공전이라는 원운동을 하고 있다.

또 지구는 초속 430m로 하루에 한 바퀴씩

돌고 있다. 스스로 움직이는 자전운동을 하고 있는

것이다.

그렇다면 이러한 운동을 할 때 지구가 태양계의 밖으로, 튕겨나가거나, 지구 표면에 있는 사람이 지구 밖으로 튕겨져 나가지 않은 이유는 무엇일까?

그것은 중심으로 끌어당기는 힘이 작동하기 때문이다. 향하게 할 구(求), 중심 심(心), 힘 력(力),

바로 구심력(求心力)이다. 중력이 구심력이다.

구심력을 제대로 알면, 우주에 있는 천체들이

어떻게 움직이는지를 바르게 설명할 수 있는 것이다.

이 구심력을 처음으로 알아낸 사람이 바로 뉴턴이다.

뉴턴은 '프린키피아'에서 '구심력'을 이렇게 정의했다.

"물체를 끌어당겨서 중심으로 향하게 하는 힘"

지구의 중심 쪽으로 잡아당기는 힘, 중력이 바로

구심력의 특징을 보이는 힘이다.

뉴턴은 '프린키피아'에서 투석기를 이용해서

구심력을 좀 더 자세히 설명하고 있다.

투석기에 돌멩이를 달아서 투석기를 빙빙 돌리면

돌멩이가 밖으로 나가려는 힘이 작용하는데, 어떤 힘이

돌멩이를 투석기에서 벗어나지 못하도록 돌멩이를

안쪽으로 강하게 끌어당겨 붙잡고 있는 힘이 발생하기

때문에 돌멩이는 빙글빙글 돌게 된다.

바로 투석기를 빙글빙글 회전시키는 힘이 구심력인

것이다.

그렇다면 투석기가 빙빙 돌면서 돌멩이가 안쪽으로

끌어당기는 구심력이 생긴다면,안쪽으로 끌려들어

가지 않는 이유는 무엇일까?

잡아당기면 당연히 끌려가야 하는 것이 자연의 이치

이니, 투석기와 돌멩이가 아무 일도 없었다는 듯

끌려들어 가지 않고 제자리에서 빙빙 도는 이유는

안으로 향하는 힘과 똑같이 반대로 밖으로 향하는

힘이 동시에 작동하고 있다는 것이 된다.

안으로 향하는 힘, 구심력과 반대 방향으로 팽팽히

맞서는 힘, 멀리 달아나려는 힘, 원심력이 작동하는

것이다.

멀 遠, 중심에서 멀어지게 하는 힘이 원심력이다.

즉 원심력도 구심력처럼 원을 그리면서 움직일 때

생겨나는 힘이다. 구심력이 생기면, 그 반대편엔

반드시 원심력이 생겨나는 것이다.

구심력을 최초로 정의한 사람은 뉴턴이나, 원심력은

뉴턴이 구심력을 발견하기 몇 해 전에 네덜란드

물리학자였던 호이겐스에 의해 체계적으로 연구

되어 정의되었다.

구심력이 언제 생기는지를 밝힌 뉴턴은 이제 이

구심력을 우주에 적용하기 위한 흥미로운 상상을

시작한다.

지구에서 포탄을 발사하면 포탄은 활처럼 휘어져

떨어진다. 그 떨어지는 곡선이 포물선 모양으로

떨어지는데, 포탄이 떨어지는 곡선이 포물선 모양이라는 것을 처음으로 밝혀낸 것은 갈릴레이다.

뉴턴은 상상을 이어간다

포탄을 아주아주 세게 발사해서 지구 반대편까지

날아갈 수 있게 발사하면 지구를 한 바퀴 돌 수 있지

않을까. 한 번 돌았으니, 두 번 도는 것도 불가능하지

않을 거고.

지구를 한 번 돈 포탄이 에너지가 없으면 계속 돌 수

없는 이유는 공기저함 때문이라고 생각한 뉴턴은

만약 공기 저항이 전혀 없는 우주공간에서는 포탄이

지구 둘레를 끊임없이 계속 회전할 수 있다는 생각에

이른다. 지구 주위를 도는 인공위성의 원리가 여기서

탄생한 것이다.

그러나 실제 뉴턴이 인공위성에 대한 아이디어를

제공하긴 했지, 인공위성이 가능하라라는 생각은 하지 못했다. 무거운 물체를 지구 대기권 밖으로 쏘아 올려

지구 한 바퀴를 돌게 하는 속도를 내는 것은 그 당시

과학으로는 불가능하다고 생각했던 것이다.

뉴턴은 '프린키피아'에서 구심력에 대해 아주

빈틈없이 완벽하게 수학적으로 풀어 증명해 놓았다.

뉴턴이 구심력에 대해 이렇게 공들인 이유는 바로

우주공간에서 원운동을 하는 천체들의 움직임을

완벽하게 수학적으로 설명하고 싶었던 것이다.

여기서 바로 위대한 만유인력의 법칙이 등장하게 된다.

생각해 보라.

우주의 천체들을 빙빙돌게 하는 비밀은 저 멀리 있지

않고 우리들이 정월대보름달 저녁 동네에서 쥐불놀이

하는 그곳에, 어린 시절 학교 운동장에서 즐겨 탔던 빙글빙글 도는 놀이기구에 숨어 있었던 것이다.

뉴턴은 곰곰이 생각에 잠겨 사유하고 질문한다.

"지구는, 달은, 우주의 천체는 왜 빙글빙글 돌까?"

우주의 비밀, 구심력은

뉴턴의 끊질긴 사유와 질문에

그 비밀스러운 속내를 드러내기 시작한다.

Plato Won