통합과학 중1 힘의 작용 심화

마찰력과 탄성력

마찰력의 종류(정지·운동)와 탄성력의 크기 관계를 탐구하고 생활 속 적용 사례를 분석한다.

마찰력은 맞닿은 면에서 물체의 운동을 방해하는 힘이고, 탄성력은 변형된 물체가 원래 모양으로 되돌아가려는 힘입니다.

두 힘 모두 '방해'하거나 '되돌리는' 힘이라 손해처럼 보이지만, 마찰력이 없으면 걷지도 멈추지도 못하고 탄성력이 없으면 저울도 활도 없습니다.

쉽게 말하면

힘의 작용에서 힘을 화살표로 그리는 법을 배웠으니, 이제 그중 두 가지를 자세히 볼 차례입니다.

마찰력은 두 물체의 맞닿은 면에서 생기며, 물체가 움직이려는 방향의 반대로 작용합니다. 마찰력의 크기를 정하는 것은 두 가지입니다 — 면을 누르는 힘이 클수록(즉 물체가 무거울수록), 그리고 맞닿은 면이 거칠수록 커집니다. 여기서 학생들이 가장 많이 놓치는 것은 맞닿은 면의 넓이는 마찰력과 관계가 없다는 사실입니다. 벽돌을 눕혀 끌든 세워 끌든 필요한 힘은 거의 같습니다.

마찰력은 물체가 아직 움직이지 않을 때와 움직이고 있을 때가 다릅니다. 무거운 상자를 살살 밀면 상자는 꿈쩍도 하지 않는데, 이때도 마찰력은 작용하고 있고 그 크기는 내가 미는 힘과 정확히 같습니다(그래서 합력이 0입니다). 미는 힘을 키우면 정지 마찰력도 따라서 커지다가, 어느 한계를 넘는 순간 상자가 미끄러지기 시작합니다. 이 한계가 최대 정지 마찰력입니다. 그리고 일단 미끄러지기 시작하면 운동 마찰력은 최대 정지 마찰력보다 조금 작습니다. 무거운 짐을 처음 밀 때가 가장 힘들고 한 번 움직이면 수월해지는 것이 이 때문입니다.

탄성력은 용수철이나 고무줄처럼 변형되었다가 원래 모양으로 돌아가려는 물체에 생기는 힘입니다. 방향은 언제나 변형시킨 방향의 반대입니다 — 용수철을 오른쪽으로 늘이면 용수철은 왼쪽으로 당기고, 눌러서 짧게 만들면 밀어냅니다. 크기는 변형시킨 힘의 크기와 같으며, 용수철이 늘어난 길이는 매단 물체의 무게에 비례합니다. 이 성질 덕분에 늘어난 길이를 눈금으로 새겨 용수철저울을 만들 수 있습니다. 다만 이 비례 관계는 탄성 한계 안에서만 성립합니다 — 너무 세게 당기면 용수철은 늘어난 채로 돌아오지 않습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

눈길 타이어 체인과 스키

체인은 마찰력을 키워 미끄러지지 않게 하려는 것이고, 스키는 접촉면을 매끄럽게 해 마찰력을 줄여 잘 미끄러지게 하려는 것입니다. 같은 눈 위에서 정반대의 목적을 위해 마찰력을 조절하는 셈입니다. 마찰력은 좋은 힘도 나쁜 힘도 아니고, 상황에 따라 키우거나 줄이는 대상입니다.
예시 2

무거운 상자를 처음 밀 때가 가장 힘든 이유

밀기 시작할 때는 최대 정지 마찰력을 넘어서야 하지만, 일단 움직이면 그보다 작은 운동 마찰력만 이기면 됩니다. 그래서 '으차' 하고 밀어낸 순간 갑자기 상자가 훅 나가는 느낌이 듭니다. 마찰력이 상황에 따라 변한다는 것을 몸으로 느끼는 순간입니다.
예시 3

활과 트램펄린

활시위를 뒤로 당기면 활이 휘면서 원래대로 돌아가려는 탄성력이 생기고, 손을 놓는 순간 그 힘이 화살을 앞으로 밀어냅니다. 트램펄린도 마찬가지로 눌린 만큼 되밀어 올립니다. 두 경우 모두 탄성력의 방향이 변형된 방향의 반대라는 점이 핵심입니다.

순서대로 하면

용수철저울의 눈금을 만드는 순서

1아무것도 매달지 않았을 때의 용수철 길이를 재어 0으로 잡습니다.
2무게를 아는 추를 하나씩 늘려 가며 매달고, 그때마다 늘어난 길이를 잽니다.
3가로축을 추의 무게, 세로축을 늘어난 길이로 하여 점을 찍습니다. 원점을 지나는 직선이 나오면 무게에 비례한다는 뜻입니다.
4그 직선을 이용해 늘어난 길이마다 해당하는 무게를 눈금으로 새깁니다.
5탄성 한계를 넘지 않는 범위에서만 사용합니다. 한 번 한계를 넘으면 용수철이 돌아오지 않아 눈금이 어긋납니다.

정지 마찰력과 운동 마찰력

구분	정지 마찰력	운동 마찰력
언제 작용하나	밀어도 물체가 움직이지 않을 때	물체가 미끄러지며 움직일 때
크기	미는 힘과 같은 크기로 함께 커진다	거의 일정하다
최대·최소	최대 정지 마찰력이 있고, 이를 넘으면 미끄러진다	최대 정지 마찰력보다 조금 작다
체감	아무리 밀어도 꿈쩍 않는 느낌	한 번 움직이니 밀기가 수월해지는 느낌

자주 하는 오해

바닥에 닿는 면이 넓을수록 마찰력이 크다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움벽돌을 눕혀 놓으면 바닥에 닿는 면이 넓으니 세워 놓았을 때보다 마찰력이 크다

실제로는맞닿은 면의 넓이는 마찰력과 관계가 없습니다. 마찰력을 정하는 것은 면을 누르는 힘(무게)과 면의 거칠기입니다.

면이 두 배로 넓어지면 같은 무게가 두 배 넓은 면에 나뉘어 실리므로 한 곳이 눌리는 정도는 절반이 됩니다. 넓어진 만큼 약하게 눌리니 결국 상쇄되어 마찰력의 총합은 그대로입니다. 벽돌을 눕혀 끌 때와 세워 끌 때 필요한 힘이 거의 같은 것을 직접 해 보면 확인할 수 있습니다.

탄성력이 잡아당긴 방향과 같은 쪽으로 작용한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움용수철을 오른쪽으로 당겼으니 용수철의 탄성력도 오른쪽으로 작용한다

실제로는탄성력은 변형된 방향의 반대로 작용합니다. 오른쪽으로 늘였다면 탄성력은 왼쪽으로 당깁니다.

탄성력은 '원래 모양으로 되돌아가려는' 힘이기 때문입니다. 늘어났으면 줄어들려 하고, 눌렸으면 펴지려 합니다. 실제로 용수철을 당겨 보면 손이 용수철 쪽으로 끌려가는 느낌이 드는데, 그것이 바로 반대 방향의 탄성력을 몸으로 느끼는 것입니다. 방향을 반대로 잡으면 용수철저울이 무게를 재는 원리(중력과 탄성력이 반대 방향으로 균형)를 설명할 수 없게 됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

힘의 작용중1

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

일과 일률중3 마찰력고2

같은 단원의 개념 — 힘의 작용

힘의 작용중1

자주 묻는 질문

Q1마찰력이 아예 없다면 좋지 않나요?

걷는 것부터 불가능해집니다. 우리가 앞으로 나아가는 것은 발이 바닥을 뒤로 밀 때 바닥이 마찰력으로 발을 앞으로 밀어 주기 때문입니다. 자동차도 마찬가지이고, 브레이크도 마찰력으로 멈춥니다. 못이 박힌 채로 있는 것, 손에 든 컵이 미끄러지지 않는 것도 전부 마찰력 덕분입니다.

Q2밀어도 안 움직이면 마찰력이 최대인 건가요?

아닙니다. 밀어도 안 움직이는 동안 정지 마찰력은 내가 미는 힘과 같은 크기로 계속 변합니다. 살살 밀면 마찰력도 작고, 세게 밀면 마찰력도 커집니다. 최대 정지 마찰력에 도달하는 것은 물체가 막 미끄러지기 시작하기 직전 한순간뿐입니다.

Q3탄성 한계를 넘으면 어떻게 되나요?

힘을 없애도 원래 모양으로 돌아오지 않습니다. 늘어난 채로 남은 용수철은 같은 무게를 매달아도 다른 길이를 가리키므로, 저울로서의 눈금이 어긋나 버립니다. 그래서 용수철저울에는 잴 수 있는 최대 무게가 표시되어 있고, 그보다 무거운 것을 매달면 안 됩니다.

교육과정 2022 개정 · 중1 통합과학 · 힘의 작용 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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