< 일러스트 OpenAI의 DALL·E 제공 >
모든 힘을 반대하는 힘, 항력
[위즈덤 아고라 / 이승원 기자] 세상에는 다양한 힘들이 존재한다. 그리고 그 힘들에 대항하는 힘들도 존재한다. 이 힘들을 사람들은 항력이라고 부른다. 가장 잘 알려진 항력으로는 마찰력이 있다. 마찰력은 우리가 흔히 쉽게 보고 이해할 수 있는 힘이다. 손바닥을 핀 채로 앞으로 힘을 주면 어느 정도까지는 움직이지 않을 것이다. 이때 작용하는 항력을 우리는 정지마찰력이라고 한다.
힘을 조금씩 더 주기 시작하면 펴진 손은 조금씩 움직이기 시작한다. 그러나 손이 앞으로 갈 때에 뒤로 향하는 힘을 느낄 수 있을 것이다. 이 힘은 운동 마찰력이라고 불린다. 이렇게 마찰력에는 두 가지 종류가 존재한다.
또한 우리가 쉽게 볼 수 있는 항력은 공기저항력이 있다. 이번에도 똑같이 손바닥을 펴보자. 손바닥을 핀 채로 위아래로 흔들면 공기가 손가락 사이사이를 지나가는 것을 느낄 수 있을 것이다. 이때에 우리 손바닥 아래에 있던 공기 입자들은 원래 위치로 돌아가려 하며 우리를 막는다. 이 힘이 공기저항력이다. 공기저항력은 물체가 자유 낙하에서 어떠한 속도 이상으로 높아지지 않게 막는 힘이기도 하다.
항력의 용도
과연 그럼 항력은 우리에게 도움을 주지 않는 힘일까? 항력이 없다면 우리는 더 많은 에너지를 만들 수 있고 항력에 의해 잃는 에너지가 없어지는 것 아닌가? 그렇지 않다. 항력은 우리에게 필수적인 힘이다. 예를 들어 마찰력이 사라진다면, 지구상의 생명체는 존재하지 못할 것이다. 아무것도 없는 구체에 대기만이 있을 것이다. 극단적인 상황이 아닐지라도, 물체는 원하는 방향으로 움직이거나 회전하지 못한다.
그렇다면, 항력은 어디에 활용되는 것일까?
마찰력은 연필심이 종이와 마찰을 일으키면서 자국이 남게 된다. 볼펜도 볼(ball)이 마찰로 인해 굴러가면서 안에 있는 잉크를 종이에 묻히는 것이다. 또한 마찰력을 이용하여 미끄러운 길에서도 자동차 바퀴가 헛도는 것을 막는다. 이렇듯 마찰력은 우리 일상생활의 많은 면에서 쓰인다. 브레이크는 마찰력을 이용하여 굴러가는 바퀴를 멈춘다. 한편, 공기 저항력은 항공기에서 중요한 역할을 한다. 공기가 미는 힘인 공기저항력은 비행기 날개로 인한 기압차로 비행기를 위로 띄운다.
항력을 결정짓는 요소들
대부분 항력은 물체의 질량과 연관이 있다. 일반적으로 물체의 질량이 커질수록 그에 대한 항력도 커진다. 그리고 대다수가 오해할지도 모르는 것은 면적이다. 많은 사람들은 맞닿는 면적이 크면 클수록 마찰력도 커진다 생각하지만, 사실 마찰력은 면적과 아무런 관련이 없다.
한편, 공기 저항력은 물체의 속도에 비례한다. 물체의 속도가 높으면 높을수록 그에 대한 공기 저항도 커진다. 이로 인해 자전거를 탈 때 속도를 높이면 높일수록 앞으로 힘을 주기가 더 힘든 것이다.
항력을 줄이는 스포츠
많은 항력의 이용은 존재하지만 스포츠 세계에서는 항력을 줄이는 것이 가장 중요한 과제 중 하나다. 예를 들어, 레이싱 경기에서는 공기 저항을 최소화해야 속도 손실을 줄일 수 있다. 그로 인해 가장 유명한 레이싱 리그인 Formula 1(줄여서 F1)에서 사용되는 자동차들은 디자인만 해도 한 대당 수백억 원에 달할 정도로 어마어마한 금액을 자랑한다.
뿐만 아니라 항력을 줄이는 것이 가장 중요한 계절은 겨울이다. 동계 스포츠에는 다양한 종목들이 있으며, 빙판 위의 시간 싸움을 벌이는 종목들이 대표적이다. 예를 들어 스피드 스케이팅은 얼음과 스케이트 날 사이의 마찰력을 줄이기 위해 날은 아주 얇고 가볍게 제작된다. 얇은 것은 쉽게 방향 전환을 하고 앞으로 이동하기 위해서이다.
비슷하게 봅슬레이가 있다. 봅슬레이는 봅(Bob)이라는 2명이 탈 수 있는 강철 썰매로 더 빨리 코스를 통과하는 사람이 이기는 경기이다. 더 빠른 속도를 내기 위해 더 무거운 무게와 뾰족한 형태의 썰매를 이용해 공기 저항을 뚫고 지나간다. 이에 더하여 스케이트 날이 장착되어 있어 빙판에서 더 빠른 속도로 이동이 가능하다. 이렇게 많은 기술이 더하여 봅슬레이는 평균 130~140 km/h에 달하는 속도로 이동하고, 현재 최고 속도는 152km/h에 달한다. 봅슬레이도 레이싱 경주처럼 0.01초의 시간차를 두고 경쟁하는 스포츠이다.
이렇듯 항력은 때로는 우리에게 이득을 주지 못하지만 다양한 재미를 남겨준다. 항력 덕분에 우리는 다 같이 겨울에 TV앞에 모여 우리나라를 응원하며, 그리고 가족끼리 다 같이 모여 함께 웃고 즐길 수 있다.
[위즈덤 TECH] 물리학은 사람들 사이에서 다가가기 어려운 학문으로 알려져 있습니다. 그러나 물리학은 우리가 하는 모든 움직임, 살고 있는 집, 현재 제가 사용하고 있는 이 노트북까지 물리학에 관련된 개념과 정보가 들어가 있습니다. 이렇듯 물리학 없이 살기 어려운 세상에서 물리학이 어떻게 일상생활에 사용되는지 재미있고 쉽게 배울 수 있는 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 이승원 기자의 ‘위즈덤 TECH’으로 일상생활에서 접할 수 있는 재미있는 물리학의 세계를 함께 배워 보세요.
