만유인력의 법칙
질량을 가진 모든 물체가 보이지 않는 끈으로 서로를 끌어당기는 거대한 줄다리기예요.
정의 만유인력의 법칙은 무게(질량)가 있는 모든 물체가 서로를 끌어당긴다는 자연의 기본 법칙이에요. 물체의 질량이 무거울수록 당기는 힘이 세지고, 물체 사이의 거리가 멀어질수록 힘이 급격하게 약해지는 성질을 가지고 있어요.
왜 우리는 땅에 붙어 있고 달은 도망가지 않을까요?
나무에서 사과를 떨어뜨리면 곧장 땅으로 곤두박질쳐요. 지구가 사과를 아래로 강하게 끌어당기기 때문이에요. 그런데 사실 사과도 지구를 똑같은 힘으로 끌어당기고 있어요. 지구가 사과보다 어마어마하게 무거워서 지구가 끌려오는 모습이 전혀 보이지 않을 뿐이에요.
밤하늘에 떠 있는 달도 이와 똑같은 원리로 움직여요. 달은 원래 우주 공간 저 멀리로 곧게 날아가려는 성질이 있어요. 하지만 지구가 보이지 않는 거대한 줄로 달을 끊임없이 잡아당기고 있죠. 그 덕분에 달은 우주로 튕겨 나가지 않고 지구 둘레를 둥글게 돌아요.
사과가 땅으로 떨어지는 일과 달이 하늘에 떠서 궤도를 도는 일은 완전히 같은 원리예요. 아이작 뉴턴은 우주의 모든 물체가 서로를 끌어당긴다는 하나의 단순한 원리로 땅 위의 물리와 하늘의 물리를 하나로 묶어냈어요.
이전까지 사람들은 하늘의 별들이 움직이는 법칙과 땅 위의 사물이 움직이는 법칙이 서로 완전히 다르다고 믿었어요. 하지만 만유인력의 발견 덕분에 우리는 온 우주가 똑같은 하나의 질서 속에서 움직이고 있다는 사실을 비로소 깨닫게 되었어요.
힘의 크기를 결정하는 두 가지 비밀
물체끼리 서로를 끌어당기는 힘의 크기는 딱 두 가지 조건에 의해서만 결정돼요. 바로 물체가 가진 고유한 양인 질량과 물체 사이의 거리예요.
첫째로 물체의 질량이 무거울수록 서로를 당기는 힘이 강력해져요. 사실 지금 이 글을 읽는 여러분과 옆에 놓인 책상 사이에도 서로 당기는 힘이 분명히 존재해요. 하지만 우리 몸이나 책상의 질량은 지구 전체에 비하면 너무나 작아서 그 힘을 전혀 느끼지 못할 뿐이에요.
둘째로 두 물체 사이의 거리가 멀어지면 당기는 힘은 상상 이상으로 빠르게 약해져요. 거리가 2배로 멀어지면 힘은 절반이 되는 게 아니라 거리의 제곱에 반비례하여 4분의 1로 뚝 떨어져요. 거리가 3배 멀어지면 힘은 9분의 1로 줄어들게 되죠.
이러한 거리 제곱 반비례 법칙 때문에 태양계의 수많은 행성들이 제각기 정해진 궤도를 안정적으로 유지할 수 있어요. 태양에서 아주 멀리 떨어진 행성들은 태양이 당기는 힘이 매우 약해서 천천히 돌고, 태양과 가까운 행성들은 강한 힘에 이끌려 아주 빠르게 태양 주위를 돌아요.
조금 더 정확히 말하면: 중력의 진짜 모습
우리는 일상에서 만유인력과 '중력'이라는 단어를 거의 같은 뜻으로 섞어서 써요. 조금 더 정확히 말하면 지구 위에서 우리가 매일 느끼는 중력은 순수한 만유인력에 지구가 뱅글뱅글 돌면서 생기는 원심력이 살짝 섞여 있는 최종적인 힘이에요.
또한 뉴턴의 법칙은 사과의 낙하나 인공위성의 궤도를 계산할 때는 완벽하게 들어맞지만, 현대 물리학에서는 설명의 틀이 한 단계 더 넓어졌어요. 아인슈타인은 중력을 보이지 않는 손이 물체를 직접 잡아당기는 힘이 아니라고 보았어요.
아인슈타인의 설명에 따르면 중력은 질량을 가진 물체가 시공간을 움푹 눌러서 생기는 곡면이에요. 팽팽한 고무 매트리스 위에 무거운 쇠구슬을 올려놓으면 주변이 움푹 파이고, 그 옆에 놓인 작은 구슬이 자연스럽게 굴러떨어지는 것과 같아요.
현대 과학에서는 중력을 시공간의 휘어짐으로 설명하지만, 빛의 속도에 가깝게 빠르거나 블랙홀처럼 극단적으로 무겁지 않은 일상적인 환경에서는 뉴턴의 만유인력 법칙만으로도 자연의 움직임을 놀라울 정도로 정확하게 계산할 수 있어요.
🤔 흔한 오해
우주정거장 안에는 중력이 전혀 없어서 우주비행사가 둥둥 떠다닌다.
우주정거장이 도는 400km 상공에도 지구 중력의 약 90%가 그대로 작용해요. 비행사가 뜨는 이유는 우주선과 비행사가 초속 7.7km로 날아가며 지구를 향해 끊임없이 함께 떨어지는 '자유낙하' 상태이기 때문이에요.
🧺 일상에서 만나요
질량을 가진 모든 물체는 서로를 끌어당기며, 질량이 클수록 세지고 거리가 멀어질수록 급격히 약해져요.