면접자료-관성의 법칙

관성의 법칙

철도청 홈페이지에 다음과 같은 의견이 올라와 있다.

 

“기차사고는 대형사고로 이어질 수 있으므로 기차에도 안전벨트를 설치하는 방안을 고려해 주십시오.”

 

 이 의견에 대한 답변 작성과 관련된 다음 질문에 답하시오.

1) 뉴턴 제1법칙인 관성의 법칙을 자동차의 안전벨트와 관련해 설명하시오.

2) 엘리베이터 안에서 체중계로 몸무게를 재려고 한다. 엘리베이터가 정지해 있다가 올라갈 때, 등속으로 올라갈 때, 올라가다가 정지했을 때 몸무게를 비교하시오. 그리고 몸무게가 서로 다른 이유를 설명하시오.

3) 빠른 속력으로 달리는 자동차의 앞유리에 파리 한 마리가 정면으로 충돌했다. 다음 물음에 답하시오.
   ⓐ 충돌하는 순간 자동차와 파리가 받는 충격력의 크기를 비교해 설명하시오.
   ⓑ 충돌 후 자동차와 파리가 경험하는 가속도의 크기를 비교하고 그 이유를 설명하시오.

4) 위의 내용을 참고하여 기차에 안전벨트가 없어도 되는 이유를 설명하시오.

 

 

조언

 

관성의 법칙은 널리 알려진 법칙입니다. 특히 갈릴레오가 사고 실험(thought experiment)을 통해 증명했다는 일화는 유명하지요. 그러나 관성을 직접 언급하지 않은 채 ‘비행기나 자동차에는 장착돼 있는 안전벨트가 기차에는 없는 이유가 무엇인가?’라고 물으면 관성의 법칙을 쉽게 떠올리기가 어렵습니다. 교과서 속의 원리가 실생활에서 어떻게 활용되고 있는지 진지하게 고민할 필요가 있습니다.

 

 

 

예시 답안

1) 관성의 법칙은 물체에 작용하는 힘이 없거나 작용하는 힘들의 합력이 0인 경우 속도 변화가 없다는 것입니다. 자동차를 탈 때도 안전벨트를 매는 이유도 바로 관성 때문입니다. 사고가 나면 충격으로 속도가 줄어들거나 운동방향이 바뀌는데 이 때 차안의 사람은 관성에 의해 원래의 운동을 계속하므로 안전벨트가 없으면 자동차 안에서 충돌하거나 밖으로 튕겨나가게 됩니다.

2) 몸무게는 정지했다가 올라갈 때 가장 무겁고, 올라가다가 정지할 때 가장 가볍습니다. 엘리베이터가 정지해 있다가 올라가는 경우 엘리베이터의 가속도가 위쪽 방향이므로 사람은 관성에 의해 아래쪽으로 관성력을 받게 됩니다. 이 경우 체중계에는 관성력과 사람이 받는 중력이 합해진 만큼의 힘이 실리게 됩니다. 반면에 엘리베이터가 올라가다가 정지하는 경우는 가속도가 아래쪽 방향이므로 관성력은 위쪽으로 작용해 체중계에 실리는 힘은 (체중-관성력)이 됩니다. 엘리베이터가 등속도 운동을 할 때는 가속도의 크기가 0이고 관성력도 0이어서 체중계 눈금은 원래의 몸무게를 나타냅니다.

 

3) 달리는 자동차 유리에 파리가 충돌하는 경우 
   ⓐ 자동차와 파리가 받는 충격력의 크기는 서로 같습니다. 뉴턴 제3법칙인 작용-반작용의 법칙에 따라 자동차가 파리에 가하는 힘의 크기와 파리가 자동차에게 가하는 힘의 크기가 같기 때문입니다.
   ⓑ 충돌 후 파리는 자동차보다 훨씬 큰 가속도를 얻습니다. 자동차와 파리가 받는 충격력(F)의 크기는 서로 같으나 파리의 질량(m)이 자동차에 비해 훨씬 작기 때문에 가속도(F/m)가 달라지는 것이죠. 똑같은 충격량에도 불구하고 파리가 더 심하게 상처를 입는 것은 이 때문입니다.

 

4) 자동차나 비행기와 달리 기차는 레일 위를 달리고 있어 자신보다 질량이 큰 물체와 충돌할 확률이 아주 낮습니다. 사고가 나더라도 보통은 질량이 상대적으로 작은 자동차나 사람 등과 부딪히기 때문에 기차의 가속도는 아주 작은 값을 갖게 됩니다. 이 경우에는 기차에 탄 승객에 작용하는 관성력(승객의 질량☓기차의 가속도)이 작아서 그다지 위험하지 않습니다. 그러므로 안전벨트가 꼭 필요한 것은 아닙니다. 물론 희박하지만 일어날 수 있는 기차끼리의 충돌이나 탈선 등을 고려한다면 기차에도 안전벨트가 있는 편이 좋겠지요.

 

출처 : 과학동아