중력장 내의 운동 (1)

놀이공원에서 자이로 드롭을 타본 경험이 있는 사람들은 그때 느낀 짜릿함을 잊을 수 없을 것이다. 자이로 드롭은 크게 두 가지 느낌을 받을 수 있는데, 처음에는 자유 낙하할 때 느끼는 무중력 감과 떨어지다가 갑자기 정지할 때 느끼는 압박감일 것이다,
손에 들고 있던 물체를 가만히 놓아 낙하시킬 때처럼 물체가 정지상태로부터 중력만을 받으면서 낙하하는 운동을 자유낙하 운동이라고 한다. 자유낙하를 하는 물체의 속도는 일정하게 증가한다. 이것은 물체가 낙하하고 있는 동안 계속 중력이 작용하기 때문이다. 자유 낙하 운동은 등가 속 운동의 대표적인 예이다.
낙하하는 물체의 가속도는 지구 중력에 의해 생기므로 중력 가속도라고 하고 g라고 나타내며 그 크기는 9.8m/s2와 같다.
만일 공기 중에서 깃털과 사과를 동시에 떨어뜨리면 어느 것이 먼저 떨어질까?
분명히 사과가 먼저 떨어질 것이다. 이것은 깃털과 사과 모두 중력에 의해 떨어지지만 저항이 깃털에서 더 크기 때문에 깃털이 늦게 떨어지게 되는 것이다.
그러나 진공 중에서 깃털과 사과를 동시에 떨어뜨리면 공기의 저항을 받지 않고 중력만 받기 때문에 둘 다 똑같이 떨어지게 된다.
낙하 운동은 고대로부터 많은 사람의 관심을 끌어왔다. 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 물체가 자유낙하를 할 때 그 속도는 물체의 무게에 비례한다고 주장하였다. 그리고 부피가 같고 무게가 다른 두 물체를 동시에 낙하시키면 무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빠르게 떨어진다고 생각하였다. 아리스토텔레스의 이러한 잘못된 생각은 중세까지 이어져 내려왔다.
갈릴레이는 피사의 사탑에서 무거운 물체와 가벼운 물체를 같은 높이에서 동시에 떨어뜨리는 사고 실험을 통해 공기의 저항이 없을 경우에는 무거운 물체와 가벼운 물체가 동시에 떨어진다는 것을 추론함으로써 자유 낙하 운동에 대하여 바르게 이해하는 첫걸음을 내딛게 되었다.
자유낙하를 하고 있는 사과를 1/30초 간격으로 찍은 다중 섬광 사진을 보면 각 순간에서의 사과의 위치를 비교해 보면 낙하 거리가 일정하게 커지는 것을 알 수 있다.
즉, 자유낙하를 하는 물체의 운동은 시간이 지남에 따라 물체의 속도가 일정하게 빨라지므로 등가속도 직선운동을 한다는 것을 알 수 있다.
자유 낙하 운동의 시간에 따른 속도와 낙하 거리의 관계는 물체의 처음 위치를 원점으로 할 때, 원점에서 연직 아래쪽으로 향하는 초속도는 0이고 가속도가 g인 등가속도 직선운동임을 알 수 있다. 
물체를 던진다는 것은 물체에 처음 속도가 주어진다는 것을 말한다. 물체를 공중에서 던지고 나면 그 물체에는 외부에서 작용하는 다른 힘이 없으므로 단지 중력에 의하여야만 낙하하게 된다. 그러면 연직 아래로 던진 물체의 운동은 자유 낙하 운동과 어떤 차이점이 있을까?
어떤 높이에서 물체에 초속도를 주어 낙하시켜 보면 이 물체는 자유 낙하 운동에서와 같이 등가속도 직선 운동을 하는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 이때 물체를 아래로 던졌기 때문에 양의 값의 초속도를 갖게 된다. 따라서 연직 아래로 던진 물체의 운동의 식은 자유 낙하 식에 초속도 v만 추가하면 된다.
야구공을 연적 위로 던져 올리면 얼마 동안 위로 올라가다가 다시 지면으로 떨어진다. 야구공이 이러한 운동을 하는 이유는 무엇일까?
이 경우는 앞에서 설명했던 두 가지 경우와 약간 구별된다.
앞의 두 경우에서는 물체의 운동 방향이 기준위치에 대해 아래 방향이므로 이 방향을 양으로 생각하였다. 하지만 연직 위로 던진 물체의 운동에 대해서는 이와 반대로 위 방향을 양으로 잡는다. 그러기 때문에 이 경우에는 중력 가속도의 부호가 바뀌게 되는 것이다.
이 경우에도 힘을 가해 물체를 던졌으므로 초속도 v가 주어진다. 그러나 앞의 두 경우와는 달리 물체의 운동 방향이 기준 위치에 대해 아래 방향 이므로 이 방향을 양으로 잡으면 중력가속도의 방향은 음의 값이 된다,
연직 위로 초속도 v로 던져 올린 물체의 운동은 위로 올라가면서 속도가 점점 느려지다가 최고 높이에 이르면 0이 된다. 그리고 물체는 최고점에서 순간적으로 정지하였다가 이때부터는 자유 낙하 운동하게 된다. 그리고 물체가 기준점에 도달할 때는 속도의 크기는 던질 때의 초속도와 같지만 반대인 -v의 속도로 떨어지게 된다. 이것은 물체가 낙하하는 동안 중력이 아래 방향으로 작용하였기 때문이다. 
따라서 물체의 가속도는 -g라고 생각할 수 있다.
가속도 g는 일정하며 기준 위치에 대해 음의 값을 가지므로 가속도-시간의 관계 그래프는 음의 값을 가지며 x축과 나란한 직선이 된다.
야구 경기에서 타자가 쳐낸 공이 포물선을 그리면서 날아가는 것을 보았을 것이다.
이처럼 물체를 공중에서 수평으로 던지거나 비스듬히 던져올리면 초속도의 방향과 가속도의 방향이 같지 않기 때문에 포물선 운동을 하게 되는 것이다. 
인체에 갑자기 가속도를 가하면 어떻게 될까? 
연구에 의하면 가속도가 인체에 미치는 효과는 체중의 현저한 증가 또는 감소, 인체 내부의 압력 변화, 인체 내에 있는 탄력 있는 조직들이 뒤틀리거나 액체 내에 떠 있는 밀도가 다른 고체들과 분리되는 현상이 나타난다.
만일 인체가 갑자기 가속되면 이 가속도에 대항하여 일을 할 수 있는 적절한 근육의 힘이 없기 때문에 인체는 조절력을 잃게 된다. 이 때문에 혈액은 인체의 여러 부위에서 울혈 현상이 발생할 수 있다. 만일 마리가 앞쪽으로 급히 가속되면 뇌로 가는 혈액이 부족하여 일시적으로 시각 상실과 무의식 상태에 빠질 수도 있다. 그리고 인체의 조직은 가속에 의해 비틀리거나 조직이 찢겨 파열될 수 있다.