[re] 원심력은 실제 힙이 아니라는 얘기는 옳습니다~

글쓴이
물리대마왕
등록일
2004-11-11 21:08
조회
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대학원에서 지구물리를 전공한 사람입니다. 좀 건방지게 보실지 모르겠지만 제가 정리해보겠습니다^^;
(몇일 전에도 지구상에서의 관성력에 대해서 강의한 적이 있는지라)

1. 일단 '원심력은 실제 힘이 아니다'는 얘기는 옳습니다. 거짓힘 즉, 관성력이죠.

2. 힘은 항상 두 물체간의 상호작용입니다.
힘이 작용한다면 항상 그 힘을 주고 받는 두 물체를 찾을 수 있죠.
따라서 '실제 힘인가? 아닌가?'를 알아보려면
'그 힘을 주고 받는 상대 물체가 있나? 없나?' 내지 '반작용이 있나 없나?' 를 확인해보면 됩니다.
즉 실제 힘이라면 '누가 누구에게 가하는 힘'이라는 식으로 힘의 주체와 객체를 명확히 나타낼 수 있어야 합니다.

한편 원심력의 정의가 무엇입니까?
원운동하는 물체가 구심력과 같은 크기로 원중심에서 멀어지는 방향으로 받고 있다고 생각하는 힘입니다.
자 그런데 이 힘은 대체 어느 누가 가하는 힘입니까? 이 힘의 주체는 도대체 누구 입니까?
또한 반작용은 무엇입니까?
그 어느 질문에도 답할 수 없을 것입니다.
왜냐면 원심력은 실제 힘이 아닌 거짓힘, 즉 관성력이기 때문이죠.

구체적인 예로서 태양주위를 등속원운동하는 지구를 생각해 보겠습니다.
이 때 모든 힘을 찾아보면

① 태양이 지구를 잡아당기는 힘
② 지구가 태양을 잡아당기는 힘

이상입니다.
여기서 태양이 지구를 당기는 힘이 구심력에 해당합니다.
네? 원심력이 빠졌다구요?
그럼 그 원심력의 주체와 객체를 명확히 한번 표현해보십시오

객체, 즉 작용점은 지구라는 것은 알겠고 크기는 구심력과 같고 방향은 공전중심의 반대라는 것도 알겠는데, 도대체 힘의 주체는 누구인가요? 대체 그 힘을 주고 받는 상대물체는 어디에 있나요?
또한 그 힘의 반작용은 무엇인가요?
찾을 수 없을 겁니다. 즉 원심력은 실제 힘이 아니라는 겁니다.

3. 한편 이와 관련하여 수박겉핧기님께서는 뭔가 오해하고 계신 것 같네요
님께서 드신 예에서 모든 힘을 찾아보면

① 손이 스프링을 잡아당기는 힘.
② 스프링이 손을 잡아당기는 힘

③ 스프링이 추를 잡아당기는 힘
④ 추가 스프링을 잡아당기는 힘

입니다.
여기서 스프링이 추를 잡아당기는 힘이 구심력에 해당하겠죠
하지만 추를 원중심의 바깥쪽으로 잡아당기는 힘(원심력)은 눈비비고 찾아봐도 없습니다.

4. 그럼 대체 원심력이란 무엇이냐?
위에서 설명했듯이 관성력입니다.
가속도 a로 운동하는 관찰자가 정지해 있는 나무를 봅니다.
그럼 자기는 정지해 있는 걸로 착각하고 오히려 나무가 '어떤 힘'을 받아 가속도 -a로 움직인다고 생각하게 됩니다. 즉 여기서의 '어떤 힘'이 바로 관성력인 것입니다.
(만약 나무의 질량이 m이라면 그힘은 F=-ma로 나타나겠죠)

즉 '도대체 어느 물체가 저 나무에게 힘을 가하나?' 하고 나무주위를 둘러봐도 결코 상대 물체를 찾을 수 없을 겁니다. 즉, 가속운동하는 관찰자가 자신은 정지하고 있는 걸로 착각하기 때문에 그 착각에서 비롯한 거짓힘이라는 겁니다. 실제 힘이 아닌..

등속원운동하는 물체도 마찬가지입니다.
0이 아닌 속도로 등속운동하는 물체가 있을 때
이 물체에 운동방향과 직각방향으로 힘을 가하면 운동방향이 계속해서 바뀌는 원운동을 합니다.
이 때 이 힘을 구심력이라 부르고 가속도 방향은 힘의 방향과 동일한 원의 중심방향이겠죠

즉 원운동하는 물체도 가속운동하는 것입니다
따라서 원운동하는 물체의 입장에서 나머지 정지해 있는 물체들을 볼 땐 
오히려 정지해있는 물체들이 '어떤 힘'을 받아 가속운동하는 것처럼 보일 겁니다.
즉 여기서의 '어떤 힘'이 바로 관성력이고 이 때의 관성력을 원심력이라고 부르는 것입니다.
그리고 그 방향은 당연히 원중심의 반대방향이 되겠죠

5. 자 그럼 맨 처음 질문자가 궁금해하신 걸로 돌아가면

자동차가 커브를 돌 때 몸이 쏠리는 것을 생각해 보세요.
승객은 관성에 의해 똑바로 가려고 하는데 자동차의 방향이 꺾이기 때문에 자동차의 입장에서 보면
승객은 회전중심과 반대방향으로 쏠리게 되는 것입니다.
그리고 자동차가 급하게 커브를 돌면 돌 수록(즉 가속도가 크면 클 수록 ) 자동차의 입장에서 볼 때
승객은 더 크게 쏠리게 될 것입니다.

지구에서도 마찬가지 입니다.
지구도 지구중심(지구핵)을 기준으로 자전합니다.
한편 지각과 맨틀은 지구핵이라는 자동차에 승차한 승객으로 생각하시면 될겁니다.
따라서 지구중심이 회전하면 지구중심의 입장에서 봤을 때 지각과 맨틀이이 지구중심과 반대방향으로 쏠리게 되는 것입니다.
한편 극에서 적도로 갈 수록 자전가속도는 커집니다(a=rw²)
따라서 이로인해 적도 지방으로 갈수록 두꺼운 납작한 형태가 되는 것입니다
  • 가가멜 ()

      지구가 태양주위를 등속원운동하고 태양이 지구를 잡아당기는 힘을 구심력으로 보는 것은 지구의 운동을 지구 외부에서 정지한 상태로 관찰할 때 가능한 얘기겠죠. 즉 관성계에 한해서 가능한 이야기입니다.
    그리고 자동차 문제에서, 자동차 내부를 계의 원점으로 둘 때, 즉 가속계에서는 관성력이 존재하지 않습니다. 자동차내부에 카메라를 설치하여 A라는 사람을 관찰하였을때, 자동차가 등속직선운동을 하는 경우 A는 정지한 상태입니다. 그러나 커브길에서 A는 커브 바깥쪽으로 몸이 쏠리게 되는 것을 차 내부에서 관찰할 수 있는데, 이는 관성력 때문이 아니라(A는 정지하고 있다 갑자기 몸이 쏠린 것이기 때문에 관성력과 무관합니다) 가속계(accelerated reference frame)에서 실제로 작용하는 원심력 때문입니다.



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