“두 물체 사이의 서로 끌어당기는 힘은 두 물체의 질량에 비례하고, 두 물체 사이 거리의 제곱에 반비례한다.”
만유인력의 법칙을 발견한 뉴턴은 우리 주변의 자연 현상은 물론 우주 천체의 움직임에도 같은 원리가 작용한다는 것을 증명해 냈습니다. 사실 뉴턴이 살던 시대에는 천상의 법칙과 지상의 법칙이 다르다는 아리스토텔레스의 세계관을 굳게 믿는 사람이 많았습니다. 그래서 천체를 원운동 하게 만드는 힘과 물체가 낙하하는 힘은 전혀 다른 힘이라고 생각했습니다.
그러나 뉴턴은 그런 고정관념을 보란 듯이 깨며 천상과 지상이 만유인력의 법칙이라는 하나의 법칙에 의해 지배된다는 사실을 선포합니다. 지구든 우주든 같은 물질로 구성되어 있다면 같은 원리가 작용할 것이라고 사유하고 질문했던 것입니다.
우리가 평소 마주하는 일상에도 만유인력이 곳곳에 스며들어 있습니다. 저 멀리 날린 종이비행기가 다시 땅으로 떨어지는 건 만유인력의 작용 때문입니다.
시계의 진자도 만유인력의 원리를 이용한 것이고요. 최근에는 새의 날갯짓과 물고기의 지느러미 움직임까지도 만유인력 법칙으로 설명할 수 있다는 연구 결과가 보고되었다고 합니다. 우주에 있는 은하도 만유인력이 우주의 먼지와 가스를 끌어당겨 형성된 것입니다. 우주를 탐사하기 위해 우주선을 궤도에 진입시키는 데도 이 만유인력을 활용합니다.
우리는 태초부터 만유인력의 영향 아래 살아왔습니다. 하지만 뉴턴이 만유인력을 발견함으로써 그 원리를 파악하고 삶에 적용할 수 있게 되었습니다. 뉴턴은 우주의 비밀을 밝혀냄으로써 과학의 눈부신 발전을 끌어당겨 우리에게 가져다준 것입니다.
(2) 만유인력이 없는 세상
만유인력은 우주를 지배하는 기본적인 원리 중 하나입니다. 만약 만유인력이 없다면, 세상은 어떻게 될까요? 아마 물체들은 상호작용을 하지 않을 것입니다. 태양을 중심으로 도는 행성들은 그대로 일직선으로 직진할 것이며, 지구는 궤도를 유지하지 못하고 태양으로부터 멀어져 갈 것입니다.
이러한 현상이 지구 내부에서도 일어난다면 우리 생활에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 지구의 모든 물체는 지표면에서 떨어질 것이며, 대기권도 지구 주위에 머무르지 못하고 우주로 날아가 버릴 수 있습니다. 또 지구를 둘러싼 인공위성들은 지구로부터 멀리 떨어진 채 비정상적인 궤도를 따를 것입니다. 무엇보다 우리가 땅에 붙어 있지 못할 테니 우주 미아가 될 가능성이 높습니다.
우리가 아는 우주의 형태도 달라질 수 있습니다. 서로 끌어당기는 힘이 사라지면 태양을 중심에 두고 원운동을 하는 행성이나 밤하늘의 별이 지금처럼 우주에 존재하지 않아 우주와 천체가 전혀 다른 형태로 보일 것입니다. 결국 지금 우리가 살아가고 있는 세상과는 완전히 다른 세상이 펼쳐지겠지요.
(3) 만유인력에서 벗어나는 법
그렇다면 만유인력이 작용하지 않는 곳은 없을까요? 흔히들 ‘무중력 공간’이라고 말하는 우주 비행선이 떠오르네요. 정확히 말하자면 중력이 완전히 사라진 건 아니고 중력의 영향을 아주 조금만 받는 미세 중력 환경이라고 볼 수 있습니다. 우주 비행사들은 비행선 안을 걷거나 뛰지 않고 공중에 둥둥 떠다니지요.
100킬로그램 정도 되는 우주복을 착용하고도 움직일 수 있는 것은 중력의 영향을 거의 받지 않기 때문에 가능한 일입니다. 중력이 변화하면서 우리 몸이 제대로 적응하지 못하면 우주 멀미를 겪을 수도 있습니다. 그래서 우주 비행사들은 우주 비행에 앞서 무중력 적응 훈련을 받게 됩니다.
지구에서도 만유인력의 영향에서 벗어날 방법은 없을까요? 차를 타고 갈 때 과속 방지턱을 넘는 순간 몸이 붕 뜨는 느낌을 받아 본 적이 있나요? 그때가 바로 중력이 줄어든 순간입니다. 놀이공원에서 롤러코스터나 바이킹, 자이로드롭을 타면 가장 높은 곳에서 몸이 낙하하는 순간 느끼는 스릴감도 중력이 줄면서 드는 기분입니다. 엘리베이터가 올라가는 순간에는 평소보다 몸무게가 많이 나오고, 내려가는 순간에는 평소보다 몸무게가 작게 나옵니다. 이것도 중력의 영향 때문입니다.
(4) 추상화 이해하기
이제부터 추상화를 통해 일상 속 만유인력의 법칙들을 함께 살펴볼까요?
[1번 그림]
나뭇가지에 열매가 열려 있고, 물방울이 떨어지고 있네요.
나뭇가지에 맺힌 열매는 뉴턴의 열정으로 밝혀낸 만유인력의 법칙을 상징합니다.
떨어지는 물방울은 일상 속에 스며들어 있는 뉴턴의 만유인력을 표현합니다.
[2번 그림]
만유인력을 상징하는 열매들 주위로 바닷물이 밀려왔다 밀려 나가는 듯한 모습이 보이네요.
바다에서 하루 두 번씩 일어나는 밀물과 썰물 현상도 만유인력 때문에 발생한다는 것을 의미하지요.
[3번 그림]
만유인력의 힘이 더 강력해진 모습입니다.
바닷물이 밀려왔다 밀려 나가듯, 그네가 왔다 갔다 하는 것도 만유인력의 영향입니다.
물방울이 아래로 떨어지듯, 하늘 높이 차올린 공도, 나무에 매달린 사과도 결국 만유인력의 영향으로 곧 땅으로 떨어질 운명이지요.
[4번 그림]
원을 그리는 바닷물 줄기는 그 힘이 오른쪽으로 갈수록 커지고, 힘을 받은 파도는 물방울들이 밖으로 튕겨 나가려는 것을 큰 힘으로 잡아당기는 듯한 모양새입니다.
이는 물질과의 거리가 짧을수록, 물질의 질량이 클수록 끌어당기는 힘이 강하게 작용하는 만유인력의 원리를 형상화한 것입니다.
[5-6번 그림]
신비한 우주의 행성들이 태양 주위를 빙글빙글 도는 모습입니다.
또한 블랙홀을 연상시키기도 하네요.
지상의 자연 현상부터 우주 천체의 움직임까지 우리 삶에 지대한 영향을 미치는 많은 현상이 만유인력 때문에 일어납니다.
