작용 반작용 법칙
벽을 세게 밀면 내 몸이 뒤로 밀려나듯, 내가 우주를 건드리면 우주도 똑같은 크기로 나를 되받아치는 대화예요.
정의 어떤 물체가 다른 물체에 힘을 줄 때, 상대 물체도 힘을 준 물체에게 크기는 같고 방향은 정반대인 힘을 동시에 돌려준다는 물리학의 기본 원리예요. 자연계의 모든 힘은 결코 홀로 존재하지 않고 항상 짝을 이루어 발생해요.
빙판길에서 친구를 밀면 어떻게 될까요?
스케이트를 타고 매끄러운 얼음판 위에 친구와 나란히 서 있는 장면을 떠올려 보세요. 내가 가만히 서 있는 친구의 등을 양손으로 힘껏 밀면 친구만 앞으로 튕겨 나갈까요? 실제로는 친구뿐만 아니라 나 자신도 뒤로 스르륵 밀려나게 돼요.
나는 분명 친구만 밀었지만 내 손과 발에도 뒤쪽으로 밀려나는 힘이 전달된 셈이에요. 내가 친구에게 힘(작용)을 가하는 바로 그 찰나의 순간에, 친구의 몸도 내 손을 똑같은 세기로 반대 방향으로 밀어내기(반작용) 때문이에요.
이처럼 세상의 모든 힘은 언제나 두 물체 사이의 상호작용으로만 나타나요. 손바닥을 마주치며 손뼉을 칠 때 오른손만 일방적으로 왼손을 때릴 수 없는 것처럼, 자연계에 혼자서만 외롭게 존재하는 힘이란 없어요.
우리가 땅 위를 걸어갈 수 있는 것도 똑같은 원리예요. 발바닥으로 단단한 바닥을 뒤쪽으로 밀어내면, 바닥이 우리 몸을 앞쪽으로 밀어주기 때문에 앞으로 전진할 수 있답니다.
로켓은 허공에서 무엇을 밀고 날아갈까요?
우주 공간처럼 아무런 공기도 없고 발을 디딜 바닥도 없는 텅 빈 진공에서 거대한 로켓은 어떻게 앞으로 나아갈 수 있을까요? 많은 사람이 로켓이 우주선 뒤쪽의 공기나 대지를 힘차게 밀어내며 전진한다고 생각하지만 사실은 전혀 달라요.
로켓은 주변 물질을 미는 대신, 몸속에 가득 싣고 간 연료를 태워 가스를 뒤쪽으로 엄청난 속도로 뿜어내요. 로켓이 가스를 뒤로 밀어내는 순간, 뿜어져 나가는 가스가 로켓 본체를 앞으로 힘차게 밀어주는 힘이 생겨나요.
수영장에서 물을 손과 발로 뒤로 밀어내며 앞으로 헤엄쳐 나가는 모습도 마찬가지예요. 물을 뒤로 밀어내는 만큼 물이 내 몸을 앞으로 밀어주는 반작용이 생겨요.
바람을 잔뜩 넣은 풍선의 입구를 묶지 않고 손을 놓으면 어떻게 될까요? 공기가 풍선 밖으로 빠르게 빠져나가면서, 풍선은 공기가 나가는 반대 방향으로 이리저리 날아가요. 주변에 아무것도 없는 공간이라도 뿜어낼 물질만 있다면 어디서든 앞으로 나아갈 수 있어요.
조금 더 정확히 말하면
조금 더 정확히 말하면, 작용과 반작용은 힘의 크기가 완전히 같지만 두 힘이 서로를 상쇄해서 지워버리지 않아요. 왜냐하면 두 힘이 작용하는 대상(목적어)이 서로 다르기 때문이에요.
내가 벽을 밀 때 작용 힘은 '벽'에 가해지고, 반작용 힘은 '내 손'에 가해져요. 하나의 물체를 양쪽에서 똑같은 힘으로 잡아당겨 멈춰 있게 만드는 '힘의 평형'과 달리, 작용 반작용은 두 물체가 힘을 하나씩 나누어 주고받는 상태예요.
또한 큰 덤프트럭과 작은 경차가 정면으로 충돌할 때도 두 차가 서로에게 주는 힘의 크기는 완벽히 같아요. 많은 사람이 트럭이 더 큰 힘을 준다고 착각하지만, 힘의 크기는 오차 없이 동일하답니다.
그렇다면 왜 경차만 훨씬 심하게 찌그러질까요? 트럭보다 질량이 훨씬 가벼운 경차가 훨씬 더 급격한 속도 변화(가속도)를 겪기 때문이에요. 같은 힘을 받아도 가벼운 물체가 훨씬 더 큰 충격을 입고 튕겨 나가게 돼요.
🤔 흔한 오해
몸집이 거대한 트럭과 가벼운 경차가 충돌하면 트럭이 경차에 더 큰 힘을 준다.
충돌 순간 두 차가 서로에게 가하는 힘의 크기는 완전히 같아요. 다만 경차의 질량이 훨씬 작아서 속도 변화와 파손 정도가 훨씬 클 뿐이에요.
작용과 반작용은 크기가 같고 방향이 반대이므로 서로 상쇄되어 아무것도 움직이지 않아야 한다.
두 힘은 같은 물체 하나에 작용하는 것이 아니라, 서로 다른 두 물체에 각각 하나씩 작용하기 때문에 상쇄되지 않고 각자 물체를 움직이게 해요.
🧺 일상에서 만나요
자연의 힘은 언제나 쌍으로 존재하며, 내가 대상을 미는 순간 상대도 나를 똑같은 크기로 반대 방향으로 밀어내요.