통합과학 중1 힘의 작용

힘의 작용

중력·탄성력·마찰력·부력 등 여러 가지 힘의 특징과 합력·평형을 학습한다.

힘은 물체의 모양이나 운동 상태를 변하게 하는 원인으로, 중력·탄성력·마찰력·부력처럼 종류가 달라도 크기와 방향을 가지며, 여러 힘이 함께 작용하면 합력으로 그 효과가 정해집니다.

물체에 작용하는 힘을 하나씩 화살표로 그려 보는 것이 물리의 시작입니다. 물체가 왜 움직이는지, 왜 안 움직이는지는 그 화살표들을 모두 더한 결과 하나로 정해집니다.

쉽게 말하면

힘과 우리 생활에서 힘이 물체를 밀거나 당기는 것이라고 배웠습니다. 좀 더 정확히 말하면 힘은 물체의 모양을 바꾸거나(찰흙을 누르면 눌린다), 운동 상태를 바꾸는(공을 차면 굴러간다) 원인입니다. 힘을 나타내려면 세 가지가 필요합니다 — 크기, 방향, 그리고 힘이 작용하는 지점(작용점). 그래서 힘은 숫자 하나가 아니라 화살표로 그립니다. 화살표의 길이가 크기, 화살표가 가리키는 쪽이 방향, 화살표의 시작점이 작용점입니다. 힘의 크기는 뉴턴(N)이라는 단위로 잽니다.

힘에는 여러 종류가 있지만, 각각을 '누가 무엇에게 어느 방향으로'라는 문장으로 정리하면 헷갈리지 않습니다. 중력은 지구가 물체를 지구 중심 쪽(아래)으로 당기는 힘이고, 물체의 질량이 클수록 큽니다. 탄성력은 변형된 물체가 원래 모양으로 되돌아가려는 힘으로 변형된 방향의 반대로 작용합니다. 마찰력은 맞닿은 면이 물체의 운동을 방해하는 힘으로 운동하려는 방향의 반대로 작용합니다(마찰력과 탄성력). 부력은 물이나 공기가 잠긴 물체를 위로 밀어 올리는 힘입니다(부력).

한 물체에 힘이 여러 개 작용할 때는 그 효과를 하나로 합쳐서 봅니다. 같은 방향의 두 힘은 크기를 더하고, 반대 방향의 두 힘은 크기를 빼고 큰 쪽의 방향을 따릅니다. 이렇게 합친 힘을 합력이라고 합니다. 합력이 0이면 힘의 평형 상태이고, 이때 물체는 정지해 있거나 하던 운동을 그대로 이어 갑니다. 힘이 여러 개 작용하고 있어도 서로 상쇄되면 아무 힘도 없는 것과 같은 결과가 나온다는 뜻입니다.

마지막으로 반드시 구별해야 하는 것이 질량과 무게입니다. 질량은 물체를 이루는 물질의 양이라 장소가 바뀌어도 변하지 않지만, 무게는 그 물체에 작용하는 중력의 크기라서 중력이 약한 곳에 가면 함께 작아집니다. 달에 가면 무게는 지구에서의 약 6분의 1이 되지만, 질량은 그대로입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

책상 위에 놓인 책

책에는 아래로 당기는 중력과, 책상이 위로 떠받치는 힘이 동시에 작용합니다. 두 힘의 크기가 같고 방향이 반대라 합력이 0이므로 책은 정지해 있습니다. '힘이 없어서 가만히 있는 것'이 아니라 '힘들이 균형을 이뤄서 가만히 있는 것'입니다.
예시 2

용수철저울이 무게를 재는 원리

물체를 매달면 용수철이 늘어나고, 늘어난 용수철의 탄성력이 위로 작용합니다. 탄성력이 중력과 크기가 같아지는 순간 합력이 0이 되어 물체가 멈춥니다. 그래서 그때 늘어난 길이를 읽으면 그 물체에 작용하는 중력의 크기, 즉 무게를 알 수 있습니다.
예시 3

줄다리기에서 줄이 멈춰 있을 때

양쪽 팀이 있는 힘을 다해 당기고 있어도 줄이 움직이지 않는 순간이 있습니다. 힘이 작아서가 아니라 두 힘의 크기가 같고 방향이 반대라 합력이 0이기 때문입니다. 한쪽이 조금이라도 더 세게 당기는 순간 합력이 생기고 줄이 그쪽으로 끌려갑니다.

순서대로 하면

물체에 작용하는 힘을 빠짐없이 찾는 순서

1힘을 따질 물체 하나를 정합니다. 여러 물체를 한꺼번에 보면 반드시 헷갈립니다.
2닿지 않아도 작용하는 힘, 즉 중력을 먼저 아래 방향 화살표로 그립니다.
3그 물체에 닿아 있는 것들을 하나씩 짚으며 그것들이 주는 힘을 그립니다. 바닥이 떠받치는 힘, 줄이 당기는 힘, 용수철의 탄성력, 면이 주는 마찰력, 물이 주는 부력 등입니다.
4같은 방향끼리 더하고 반대 방향끼리 빼서 합력을 구합니다.
5물체가 정지해 있다면 합력이 0이 되어야 합니다. 0이 나오지 않으면 빠뜨린 힘이 있다는 뜻이니 3단계로 돌아갑니다.

질량과 무게

구분	질량	무게
뜻	물체를 이루는 물질의 양	물체에 작용하는 중력의 크기
단위	kg, g	N (뉴턴)
측정 도구	양팔저울, 윗접시저울	용수철저울, 가정용 저울
달에 가면	변하지 않는다	지구에서의 약 6분의 1이 된다

자주 하는 오해

질량과 무게를 같은 것으로 쓰기

이렇게 생각하기 쉬움내 몸무게는 50 kg이니까 이게 곧 나에게 작용하는 중력이다

실제로는50 kg은 질량입니다. 무게는 그 질량에 작용하는 중력의 크기이고 단위는 N입니다. 지구에서 질량 1 kg인 물체의 무게는 약 9.8 N입니다.

일상에서 '몸무게'라는 말을 kg 단위로 쓰기 때문에 생기는 혼동입니다. 하지만 달에 가면 몸을 이루는 물질의 양은 그대로인데 지구보다 중력이 약하므로 저울의 눈금은 줄어듭니다. 장소에 따라 변하는가, 변하지 않는가 — 이것이 무게와 질량을 가르는 결정적인 기준입니다.

정지해 있으면 힘이 작용하지 않는다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움책상 위의 책은 가만히 있으니까 아무 힘도 받고 있지 않다

실제로는책에는 중력과 책상이 떠받치는 힘이 동시에 작용합니다. 두 힘의 합력이 0이라서 움직이지 않을 뿐입니다.

'힘이 하나도 없다'와 '힘들이 서로 상쇄된다'는 결과만 같을 뿐 전혀 다른 상황입니다. 줄다리기에서 줄이 멈춰 있다고 아무도 당기지 않는 것이 아니듯이 말입니다. 실제로 책상이 떠받치는 힘이 사라지면(책상을 치우면) 책은 곧바로 떨어집니다. 물체의 운동을 정하는 것은 힘의 개수가 아니라 합력입니다.