풍선의 이동 방향은?
매년 수시 시험을 준비하는 학생들을 대상으로 수업하던 내용입니다. 여러 구술 면접 문제집에서도 언급된 적이 있고요. 수업을 받은 학생의 말에 의하면, 올해 2012년 강원대 구술면접에서 이 문제가 그대로 나왔다고 하더군요. 내용 자체는 중학생들도 무리 없이 이해할 수 있을 거라 생각하여 소개하고자 합니다.
거의 밀폐된 버스 안에 한 아이가 풍선을 가지고 탔다고 생각해 봅니다. 그 풍선은 위로 올라가 있습니다. 실은 팽팽하게 풍선과 아이 손끝에 매달려 있고요. 잠깐 내용을 명확히 하기 위해서 아이가 타자마자 풍선을 놓칠까봐 풍선의 끝에 묶여진 실의 끝을 의자에 묶었다고 생각하겠습니다. 이 상태에서 사고 실험을 해본다고 생각하시면 됩니다.
이제, 버스가 앞으로 가속도 운동을 하며 출발합니다. 의자에 매달린 풍선은 어떻게 될까요? 풍선 자체의 무게는 아주 작고 무시해도 됩니다.
결론을 말씀드리자면, 풍선은 대부분의 예상과는 다르게 뒤로 쳐지는 것이 아니라, 버스의 진행 방향과 같은 앞쪽 방향으로 쏠릴 것입니다. 물론 버스 안의 사람들은 진행 방향과 반대 방향인 뒤쪽 방향으로 치우치게 될 것입니다. 바로 가속도 방향과 반대로 작용하는 관성력의 영향 때문이지요. 그리고 그 힘은 질량에 비례하는 크기를 갖는 가상적인 힘이고요. 그렇다면 풍선은 왜 뒤로 쏠리거나 제자리도 아니고 앞쪽 즉 버스의 진행 방향으로 치우치게 될까요?
그것도 마찬가지로 관성력 때문입니다. 기체 입자들도 질량을 가지므로 관성력을 받게 됩니다. 이 부분을 학생들이 놓치기 쉽습니다. 공기의 무게를 체감하지 못하기 때문에 질량을 갖는 대상으로 생각하지 못하기 때문입니다.
이 관성력의 작용으로 풍선에는 부력이 생기게 됩니다. 쉽게 말하면 풍선 외부의 공기들이 풍선을 앞으로 밀기 때문입니다. 풍선이 위로 팽팽하게 떠있다는 것은 풍선 내부의 공기의 질량이 외부보다 작다는 것을 의미합니다. 따라서 관성력은 풍선 내부의 기체들이 상대적으로 외부의 공기들보다 작게 받게 됩니다. (실제로 공기보다 가벼운 헬륨가스 등을 주입한 풍선은 고정해 놓지 않으면 하늘로 올라가게 되지요)
결국 관성력을 받아 공기들이 뒤로 쏠릴 때 버스 안이 거의 밀폐되어 있기 때문에, 상대적으로 작은 질량을 갖고 있는 풍선은 앞으로 떠밀리는 꼴이 됩니다. 이것은 어떤 물체가 물 속에서 부력을 받아서 떠오르는 것과 똑같은 원리입니다.
미르아카데미학원 조형진 원장
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