[理知논술/교과서로 논술 잡기]과학영역

《‘교과서에 나오는 심화학습 문제에 통합교과형 논술 대비책이 숨어 있다.’ 서울대 등 주요 대학과 논술 전문가들의 한결같은 주장이다. 교과서를 통해 논술의 기초를 충분히 다질 수 있다는 것이다. 고교 교과서의 핵심 내용을 논술 준비 강의로 새 연재를 진행한다. 한 주는 사회와 과학, 한 주는 언어와 수리를 싣는다.》

놀이기구 자이로드롭을 탈때 스릴 만끽

관성력-가속도의 개념으로 설명하시오

■ 주제: 힘과 운동(가속도 운동과 관성력)

제시문 1

글 싣는 순서(과학)
번호	주제	분류
1	물질대사	생물
2	소음	물리
3	전해질과 이온	화학
4	지각변동	지학
5	순환과 배설	생물
6	힘과 운동	물리
7	산과 염기의 반응	화학
8	날씨의 변화	지학
9	인체와 건강	생물
10	일과 에너지	물리
11	반응 속도	화학
12	해양의 성질	지학
번호	주제	분류
13	자극과 반응	생물
14	전기와 자기	물리
15	공기	화학
16	태양계	지학
17	생식	생물
18	파동과 입자	물리
19	금속의 부식	화학
20	우주	지학
21	생태계와 환경오염	생물
22	에너지의 사용	물리
23	우리 주변의 화합물	화학
24	지구환경의 변화	지학

자동차를 탈 때 안전띠를 매야 하는 이유는 무엇일까?

자동차가 시속 100km로 달리고 있다면 그 차에 타고 있는 사람 역시 시속 100km로 달리고 있다고 할 수 있다. 그런데 급브레이크를 밟으면 차의 속력은 급격히 줄어들지만, 그 안에 타고 있는 사람은 여전히 시속 100km의 속력으로 앞으로 가려고 한다. 즉, 차가 급정거할 때 자동차는 지면으로부터 진행 방향과 반대 방향으로 마찰력을 받지만 차 안에 있는 사람은 외부로부터 아무런 힘도 받지 않는다.

따라서 안전띠를 매지 않으면 사람의 몸이 앞으로 쏠리게 된다. 이처럼 물체에 아무런 힘이 작용하지 않을 때, 그 물체는 정지 상태나 운동 상태를 일정하게 유지하려는 성질(관성)을 가진다.

<고1 과학 교과서>

지문 분석

버스가 출발하는 순간 승객의 몸은 뒤로 쏠린다. 이것을 바깥에 고정되어 있는 카메라로 관찰하면, 버스는 가속되어 앞으로 가고 승객은 멈춰 있다. 실제로 버스는 힘을 받고 승객은 힘을 받지 않기 때문에 운동법칙에 의해 설명할 수 있다. 하지만 버스에 고정되어 있는 카메라로 관찰하면 버스는 가만히 있는데 승객이 갑자기 뒤로 움직인다. 이때 승객을 뒤로 잡아당기는 힘을 관성력이라고 한다. 하지만 이 힘은 실제로 존재하지는 않는 가상적 힘이다. 즉, 가속도운동을 하는 관찰자는 겉보기 힘인 관성력을 느낀다. 가속도 a로 운동하는 관찰자가 질량 m인 물체를 보면, 물체는 관찰자의 가속도 a와 반대방향으로 m(―a)=―F만큼의 관성력을 받아 가속되는 것으로 보인다. 이때 ―F는 가속계에서도 운동법칙이 성립하기 위한 가상의 겉보기 힘이 된다.

관성력을 도입하면 버스의 시각에서도 운동법칙이 잘 성립한다. 하지만 실제로 승객을 뒤로 잡아당기는 힘은 없으므로 버스의 시각에서 승객의 움직임은 운동법칙으로 설명되지 않는다. 이것은 운동법칙이 틀린 것이 아니고 운동법칙이 관성계에서만 성립하기 때문이다. 관성계란 가속도운동을 하지 않고 관성을 유지하는 관찰자를 뜻한다.

관성력은 실제로 힘을 받아 가속도운동을 하는 관찰자에게 자신은 정지한 것으로 보이는 이유도 설명해 준다. 관찰자에게 F라는 힘이 작용하여 가속도운동을 한다면, 관찰자의 입장에서 ―F라는 관성력이 작용하여 합력이 0이 되기 때문이다. 하지만 이것이 실제로 성립하는 식은 아니다. 관찰자에 작용하는 힘은 0이 아니라 F이고, 따라서 가속도운동을 한다.

관성력은 직선 방향의 가속도운동뿐만 아니라 방향이 바뀌는 운동에서도 나타난다. 회전운동을 할 때의 원심력이나 지구의 자전으로 나타나는 코리올리힘은 관성력이다.

버스가 출발 할 때 몸이 어떻게 되는가?

뒤로 쏠리는 것을 모두 경험해 보았을 것이다. 이 현상을 그냥 관성의 예로 배웠을 것이다.

그러나 좀 더 따져보면 만만치 않은 내용이 숨겨져 있고 이것을 이해하는 것은 상당히 중요하면서도 재미있는 일이다.

■ 교과서 문제 이해하기

위 그림처럼 버스가 앞으로 가속되고 있는 경우에 차 안에 있는 사람은 외부로부터 아무런 힘도 받지 않는다. 그러나 안전띠를 매지 않으면 사람의 몸이 앞으로 쏠리게 된다. 그 이유가 무엇인가?

■ 문제 설명

물체에 아무런 힘이 작용하지 않을 때, 그 물체는 정지 상태나 운동 상태를 일정하게 유지하려는 힘을 받는다. 가속운동하는 자동차에 탄 사람은 가속되는 방향의 반대 방향으로 힘을 받는 것처럼 느낀다. 이 힘을 관성력이라 한다. 점점 속력이 빨라지는 자동차에 탄 사람은 뒤로 힘을 받고 브레이크를 밟아서 속력이 느려지는 자동차에 탄 사람은 앞으로 힘을 받는다. 이 때 관성력의 크기는 자동차 가속도의 크기에 비례한다.

제시문 2

“무섭고 짜릿해요. 한여름 무더위를 말끔히 씻어 주는 놀이기구죠.” 롤러코스터나 바이킹, 샷 드롭 등을 타보면 비행기보다 훨씬 느린데도 비행기를 탔을 때보다 더 큰 스릴을 느낄 수 있다.

그렇다면 놀이기구를 탈 때 스릴이 느껴지는 이유는 무엇일까?

놀이기구가 가속도운동을 할 때 우리 몸은 놀이기구의 가속도 방향과 반대 방향으로 힘을 받는다. 이때 귓속의 전정기관이 느끼는 힘(관성력)에 의해 스릴을 느끼게 된다.

전정기관은 액체에 떠 있는 감각기관으로 우리 몸이 균형을 잡을 수 있도록 해 준다. 우리 몸이 가속도운동을 하면 반대 방향으로 힘을 받기 때문에 운동 특성을 알 수 있다.<물리Ⅰ교과서>

지문 분석

자이로드롭은 큰 기둥과 플랫폼 2개로 이루어져 있다. 기둥 아래에는 일종의 큰 영구자석이 있다. 일단 아래 플랫폼에 사람이 탑승하면 위 플랫폼이 아래 플랫폼과 연결된 뒤에 모터로 플랫폼을 위로 잡아당긴다. 자이로드롭의 브레이크는 영구자석의 ‘와전류 방식’ 원리를 이용한 것이다.

와전류 방식은 자석의 N극과 S극 사이에 전류가 통하는 금속을 넣으면 순간적으로 전류가 흐르면서 금속이 자석의 성질을 띠는 것을 말하는데, 이때 발생하는 금속의 자기장은 자석의 자기장과 서로 밀어내려는 성질, 즉 반발력을 갖는다. 즉, 자이로드롭은 의자 뒤에 12개의 긴 말굽모양 자석과 타워 중앙에 12개의 금속판을 각각 갖고 있는데, 이 두 물체는 지상 25m 높이에서 서로 만나게 된다. 이때 영구자석과 순간적으로 자석이 된 타워의 금속 사이에는 강한 반발력이 생기게 되고, 자이로드롭은 이 반발력에 의해 순간적으로 멈추게 되는 것이다.

인간의 귀는 크게 외이, 중이, 내이로 구분되는데, 내이 안에 위치해 있는 3개의 반고리관은 서로 수직으로 이루어져 있으며, 이 반고리관 안에는 림프액이라는 액체가 가득 차 있어서 몸의 회전 방향을 인식할 수 있게 해 준다. 또한, 달팽이관과 반고리관 사이에는 전정기관이 위치해 있는데, 이 전정기관은 몸의 운동감각이나 신체의 균형을 감지하기 때문에 평형기관이라고도 한다.

반고리관은 내부에 림프액에 들어 있어서 우리 몸이 가속도 운동을 하면 반고리관 안에 들어있는 림프액은 관성에 의해 반대편으로 쏠리게 되고, 이 림프액의 쏠림을 신경이 감지해 회전하고 있음을 인식하게 된다. 우리가 매우 빠른 비행기나 고속열차를 탄다 하더라도, 속도가 일정하면 림프액은 쏠리지 않게 되므로 아무런 자극도 받지 않지만, 더 느린 놀이기구를 탈 때 시간에 따른 속도의 변화율인 가속도가 크기 때문에 림프액이 많이 쏠리게 되고, 이것이 평상시와 다른 느낌을 가지기 때문에 스릴을 느끼게 되는 것이다.

마찬가지로 전정기관 내에 있는 이석도 우리 몸이 가속도운동을 할 때, 관성에 의해 한쪽으로 쏠리게 돼 감각모가 이 변화를 감지하게 되어, 우리는 스릴을 느끼게 되는 것이다. 이와 같이 비록 비행기보다 놀이기구가 훨씬 느리다 하더라도, 빠르기나 방향이 급격히 변할 때에는 가속도가 크게 돼 우리 몸은 스릴을 느끼게 된다.

■ 통합교과 문제

제시문 1과 2는 모두 관성으로 인한 현상이다. 두 제시문을 읽고 자이로드롭을 탈 때 왜 스릴을 느끼게 되는지 그 이유를 설명하시오.

■ 접근 방법

힘과 운동에 대한 개념문제는 답이 하나로 정해진 것은 아니다. 서술된 내용을 정확히 읽은 후 출제자의 의도(관점)를 정확히 파악해야 한다. ‘스릴을 느끼는 이유를 설명하라’는 질문은 물리적인 현상에 대한 인체의 생물학적인 자극 변화를 설명하면 된다. 출제 의도와 예시 답안은 이지논술 사이트(www.easynonsul.com)에 있습니다.

허균 청솔 아우름 통합논술 강사