일상에서 배우는 원심력 - 구심력, 원리, 응용까지 쉽게 설명

물리 법칙은 관련된 공식만을 생각한다면 따분하지만 일상생활과 연계하여 그 원리를 생각하면 나름 재미있습니다. 이 번 글에서는 일상생활에서의 물리, 원심력에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

원심력

원운동 하는 물체에 작용하는 힘을 구심력이라고 하는데 중심으로부터 일정 거리에서 회전하도록 물체를 잡아주는 힘이기 때문입니다.

원심력은 이 구심력과 크기는 같지만 방향이 반대인 즉 물체가 중심으로 밖으로 멀어지려는 힘이며 아래의 그림과 같이 원심력 F는 물체의 질량 m과 속도 v의 제곱에 비례하며 회전반경 r에 반비례합니다.

이 원심력을 실제로는 존재하지 않는 힘이라고 하는데 그 이유는 물체에 가해지는 실제 힘은 구심력이고 이에 의해 원운동을 하는 것인데 매 순간 관성의 법칙에 의해 물체는 원 궤도의 접선 방향으로 직선운동을 계속하려고 합니다.

구심력은 지름 안쪽 방향으로 작용하므로 직각을 이루는 접선 방향으로는 어떤 힘도 작용하지 않기 때문입니다. 그러나 순간적으로는 마치 물체에 지름 바깥 방향으로 힘이 작용하는 것처럼 느껴지는 것입니다.

원운동하는 물체에 작용하는 구심력과 원심력

직선 운동을 하려는 물체에 원궤도를 유지하도록 당기는 힘인 구심력이 가해지는 순간 마치 중심에서 멀어지려는 반대 방향의 힘이 물체에 작용하는 것처럼 느껴지는 것입니다.

다시 말하면 원운동 하는 물체에 가해지는 힘은 구심력이며 원심력은 그에 따른 관성 효과인 것입니다.

일상에서의 원심력

구심력의 관성 효과로 발생하는 이 원심력도 우리 일상생활에 많이 활용되고 또 자연스럽게 일어나고 있는 현상입니다.

우리에게도 잘 알려진 장치인 화학분석이나 바이오 의약 산업에 사용되는 원심분리기도 원심력이 질량에 비례하는 물리 현상을 이용하는데 초고속 회전을 통해 여러 성분으로 구성된 복합 용액을 비중에 따라 분리, 추출하는 것입니다.

다양한 기기의 GPS와 기상 분석에 사용되고 해외 방송을 볼 수 있도록 해주며 군사 정보 수집용으로도 활용되는 인공위성! 대기권에 떠 있는 수많은 이 인공위성도 지구의 중력이 구심력으로 작용하는 등속 원운동을 하고 있는 것입니다.

그러나 원심력에 의해 궤도를 이탈할 수 있으므로 위성의 공전 속도를 조절하여 평형을 이루도록 하면 대기권 밖으로 떨어져 나가지 않고 계속해서 지구 주위를 맴돌게 됩니다.

자동차를 운전하여 굽은 도로의 코너를 주행할 때에도 순간적인 원운동이 되는데 코너를 벗어나지 않고 안전하게 돌아나가도록 해주는 구심력은 타이어와 노면의 마찰력이 됩니다.

그때의 원심력은 위에 설명한 바와 같이 차량의 코너 진입 속도 v, 조향각(조향각이 크면 회전반경이 작아짐)에 해당하는 회전반경 r, 차량의 무게 m으로 구할 수 있게 되는데 마찰력이 이 값보다 커야 안전한 코너링이 가능한 것입니다.

따라서 마찰력을 높여 안전하게 코너 주행을 하려면 마찰 계수가 높은 좋은 타이어를 장착하거나 원심력 증가에 제곱으로 기여하는 속도를 줄이거나 조향각을 작게 하여 회전반경을 키워주어야 하는 것입니다.

원심력이 커지는 반대의 경우 큰 사고가 발생하므로 이를 구조적으로 예방하는 방법은 원심력이 발생하는 방향 즉 코너 바깥쪽이 높아지도록 도로에 경사면을 만들어 주면 됩니다.

이렇게 하면 자동차에 작용하는 중력의 일부를 추가 구심력으로 활용할 수 있게 되어 보다 안정적인 코너링이 가능해집니다.

오토바이는 코너에서 원심력 반대 방향으로 기울여야 주행이 가능함

 

이렇게 중력을 구심력으로 활용하는 또 다른 예가 바로 오토바이를 타고 코너 도로를 고속으로 주행할 때입니다.

오토바이 운전자는 원심력과 반대 방향으로 자신의 몸과 차체를 기울여서 중력의 일부를 구심력으로 전환하여 안전하게 코너를 돌아나가는 것입니다.

 

[과학] - 마찰력이란? 우리의 일상과 자동차 안전 장치까지 활용하는 과학 원리

마찰력이란? 우리의 일상과 자동차 안전 장치까지 활용하는 과학 원리