선형 운동은 모든 운동의 가장 기본이다.직선운동 이라고도 하는 선형 운동은 두 가지 유형이 있다. 일정한 속도 또는 가속도가 0인 등속 운동 ,가변속도 또는 0이 아닌 가속도를 갖는 가속운동이 그것이다. 너무 딱딱한 물리, 수학적 개념은 가급적배제하고 선형운동에 대해 이야기해보자.
최초로 운동을 연구한 아리스토텔레스
최초로 운동을 연구한 사람은 아마도 고대 그리스의 철학자이자 과학자인 아리스토텔레스가 아닐까 한다.아리스토텔레스는 운동을 자연적인 운동과 강제적인 운동으로 분류함으로써 운동에 대한 명백한 설명을시도하였다. 자연적인 운동은 물체의 본성에서 출발한다. 우주의 모든 물체는 본성에 의해 결정되는 적절한 장소에 있게 되는데 만약 어떤 물체가 적절한 장소에 있지 않으면 그 장소에 도달하고자 할 것 이라고 아리스토텔레스는 주장했다. 자연적인 운동은 지구 상의 모든 물체와 같이 직선으로 올라가거나내려오는 운동이고 무거운 물체일수록 더 빨리 떨어진다고 생각하였다.
또한 천체는 원운동을 하는데 원운동은 시작도 끝도 없이 반복되는 운동이라고 주장하였다. 또 다른 운동 종류인 강제적인 운동은 밀거나 끄는 힘에 의해 나타난다. 손수레를 미는 사람에게는 운동이 강요된다. 바람은 배가 운동을 하게 한다. 즉 강제적인 운동은 외부의 원인이 물체에 전달되어 물체가 운동을 하게 되는 것이다. 물체는스스로 움직이지 않고 외부의 밀거나 끄는 힘에 의해 운동한다.
정리하면 아리스토텔레스는 모든 운동은 움직이는 물체의 고유한 성질이나, 물체에 가해진 밀고
당기는 힘에 의해 생기는 것이고 적절한 장소에 물체가 있다면 천체를 제외하면 힘을 받기 전에는
움직이지 않을 것이다. 고 주장했다. 밀고 끄는 힘에 대해서 애매한 경우가 있지만 아리스토텔레스의
운동에 대한 설명은 과학적 사고의 출발점이라 할 수 있겠다. 이 당시에는 지구를 움직이게 할 수 있는
힘은 상상할 수 없었기에 지구는 움직이지 않는다는 것이 지극히 당연한 사실로 받아들여졌다.
지동설을 체계화한 코페르니쿠스
코페르니쿠스는 이런 사회분위기에서 천문관측 연구를 했었고 지구가 태양 주위를 돈다는 지동설을
체계화했다. 지구는 움직인다는 그의 생각은 당시 교회와 아리스토텔레스의 지지자들에 대한 도전
이었지만 새로운 진실로 한 발짝 전진 하는 계기가 되었다.
코페르니쿠스의 지동설을 믿은 사람은 16세기 과학자 갈릴레오였는데 유명한 피사의 사탑에서의
실험으로 그는 아리스토텔레스의 생각이 틀렸음을 입증하였다. 갈릴레오는 기울어진 파사의 사탑
에서 무게가 다른 물체를 떨어뜨려 비교하였다. 아리스토텔레스의 주장과 달리 두배로 무거운
물체가 가벼운 물체보다 두배 빠르게 떨어지지 않았는데 공기저항의 효과를 제외하면 무게가 다른
물체를 동시에 떨어뜨리면 동시에 땅에 떨어진다는 사실을 발견한 것이다. 많은 사람들을 모아놓고
이 실험을 진행하였는데 아이러니하게도 가벼운 물체와 무거운 물체가 동시에 땅에 떨어지는 것을
본 많은 사람들은 오히려 갈릴레오를 비웃고 아리스토텔레스의 생각을 더욱 맹신하였다고 한다.
관성을 개념화한 갈릴레오
한편 갈릴레오는 운동하는 물체는 방해가 없다면 물체는 영원히 직선상을 움직일 것이라고 가정
했는데 이 가정을 뒷받침하기 위해 경사면에서 실험을 하였다. 경사면의 아래쪽을 향해 구르는 공의
속도는 증가하고 경사면의 위쪽을 향해 구르는 공의 속도는 감소한다는 것을 발견하였다.
이 결과로 수평면 위에서 구르는 공은 속도를 얻지도 잃지도 않는다고 생각하였다. 공은 원래의 성질
때문이 아니라 마찰 때문에 결국 정지한다고 판단하였고 매끄러운 면 위에서의 운동 관찰로 확실해
졌다. 마찰이 적다면 물체의 운동은 오랫동안 지속되고 마찰이 거의 없다면 운동도 거의 일정한 속도로
하게 될 것이다.
마찰이나 저항이 없다면 수평으로 운동하는 물체는 영원히 운동을 계속할 것이라고 주장하였다.
운동하는 물체가 운동을 계속하려는 성질을 갈릴레오는 관성이라 불렀다. 갈릴레오의 관성에 대한
개념은 아리스토텔레스 학파의 운동 이론을 잘못된 이론으로 만들어 버렸다. 아리스토텔레스는
마찰이 없는 상태의 운동이 어떤 것인지 상상할 수 없어 관성을 인식하지 못하였고 마찰에 대한 이해의
실패를 드러냈다.
갈릴레오의 관성 개념을 적용하면 지구가 운동을 계속하는데 아무 힘도 요구하지 않음을 알 수 있다.
이는 뉴톤이 우주에 대한 상상을 종합하는 길을 열어주게 된다. 갈릴레오는 경사면에서 실험을 하여
가속도의 개념을 체계화시켰다. 갈릴레오의 주요 관심사는 낙하 물체였는데 이에 대한 시간 측정
장치가 없어서 가속을 느리게 하고 관찰하기 쉽게 하기 위해 경사면을 사용한 것이다. 이 경사면
실험으로 갈릴레오는 경사가 급할수록 가속도가 커지는 것을 발견하였다. 경사가 수직일 때 공은
최대 가속도를 갖는데 이때의 가속도는 낙하 물체의 가속도와 같게 되는 것이다. 공기 저항이 무시될
정도로 작다면 물체의 무게나 크기에 관계없이 모든 물체는 일정한 속도로 낙하한다. 자연스럽게
자유낙하로 연결되는 것이다. 중력 때문에 물체는 낙하한다. 공기 또는 그 이외의 것에 의한 마찰이
없이 오직 중력의 영향만으로 낙하하는 상태를 자유낙하 상태라 한다. 낙하 때 매초 속도가 증가하는데
이 속도의 증가량이 가속도이고 자유낙하 물체의 가속도는 중력 가속도라 하며 g라는 단위를 사용
하는데 9.8g 정도이다.
지금까지 선형 운동의 두 가지 유형인 등속 운동과 가속 운동에 대해 역사적으로 어떻게 이론 체계를
갖추게 되었는지 알아보았다. 본문에서 언급한 것처럼 운동을 정확히 이해하는 데에는 아리스토텔레스
로부터 거의 2천 년이 걸렸다는 것을 알 수 있다. 속도, 가속도, 관성, 자유낙하 등 이런 용어들이 오랜 시간동안 체계화된 결과물이라는 사실을 기억해야 하겠다.
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