운동으로 배우는 물리학

운동장에서 즐기는 캐치볼부터 100미터 달리기까지 오감으로 배우는 땀나는 물리학

왜 잔디보다 모래 운동장에서 마찰력이 더 강할까? 무거울수록 몸싸움에 강한 건 운동량 때문이라고? 3점 슛의 비결은 포물선 운동에 있다고? 스케이트 날이 만드는 수막현상은 무엇일까? 달에서 번지점프를 한다면? 흔히 물리학을 과학자나 공부하는 어려운 학문으로 생각한다. 학교를 졸업하고 나면 ‘F=ma’ 같은 간단한 공식만이 그나마 물리를 배웠다는 흔적처럼 머릿속에 남지만 그조차도 뜻을 제대로 모르는 경우가 많다. 많은 사람에게 물리 지식은 그들의 삶에서 머나먼 우주의 안드로메다만큼 동떨어져 있다. 물리를 재밌게 이해할 수 있는 방법이 없을까? 물리학이 어렵다는 편견은 버리고 이 책을 펼쳐 보자. 《뛰고 보니 과학이네?》는 십 대 청소년이 체육 수업이나 여가 시간에 즐기는 스포츠를 통해 기초 물리학 지식을 쉽게 쌓을 수 있는 교양서다. 운동장에서 뒹굴고 땀 흘리는 것을 좋아하는 청소년이라면 누구나 호기심을 가지고 읽을 수 있다. 한 번 제대로 익힌 물리는 너무도 쉽다! 청소년을 위한 재기발랄 과학 이야기 우리가 달리고 움직이는 모든 순간에는 물리법칙이 있다. 왜 덩치 큰 사람이 몸싸움에 강할까? 왜 스케이트 날은 길고 납작할까? 달리기할 때 왜 엎드려서 출발할까? 이 책을 읽으면 운동을 하거나 보면서 한 번쯤은 궁금해 했던 것에 답을 찾을 수 있다. 이 책은 운동의 원리를 중?고등학교 과학 교과 과정에서 중요하게 다루는 개념과 접목해 쉽게 설명한다. 예를 들어 운동장에서 하는 슬라이딩에서 뉴턴의 관성의 법칙을 설명하고 자전거 타기로 운동량 보존의 법칙을 소개한다. 인라인스케이트를 탈 때 관찰할 수 있는 힘의 분해, 팽팽한 줄다리기에서 생기는 힘의 합성을 살펴본다. 이뿐만 아니라 2018년 평창 동계올림픽에서 최고의 화제였던 컬링부터 피겨 여왕 김연아의 점프 기술, 화려한 바나나킥이 있는 축구, 야구 투수의 커브볼까지 온갖 스포츠를 망라한다. 더 나아가 대중교통, 영화, 게임 등 생활 속의 다양한 순간으로 폭을 넓힌다. 이로써 십 대의 일상에 ‘당연하지!’가 아니라 ‘왜?’라는 질문을 던진다. 물리법칙을 직접 체험하는 방법을 제안하는 ‘땀나는 실험’ 코너는 아령과 회전의자를 이용한 실험, 플랭크 자세, 시소 타기 등 일상에서 쉽게 따라해 볼 수 있는 활동으로 구성했다. 이를 통해 평소 당연하다고 여기는 것을 하나씩 되돌아보면서 물리 공식을 온전히 내 것으로 만드는 힘을 기를 수 있다.

들어가며-운동장에서 뒹구는 땀나는 과학 004

1. 관성의 법칙-모든 운동의 본질 011
멋진 슬라이딩 태클은 어떻게 가능할까ㆍ ㆍ 관성의 법칙 013
움직였을까, 안 움직였을까ㆍ ㆍ 상대속도 020
왜 덩치 큰 사람이 몸싸움에 강할까ㆍ ㆍ 운동량 025
자전거로 느끼는 운동량 보존의 법칙 ㆍ 운동량 보존 030
화려한 피겨스케이팅 기술의 비밀 ㆍ 각운동량 보존 036
#깊게 읽는 물리학-우주에서의 운동량 046

2. 가속도의 법칙-번개처럼 빨리 움직이는 법 049
날아오는 공을 겁내지 마! ㆍ 질량과 가속도 051
달에서 번지점프를 한다면ㆍ ㆍ 중력을 받는 운동 058
쇼트트랙 계주에서는 왜 엉덩이를 밀까ㆍ ㆍ 운동량의 전달 067
두툼한 야구 글러브의 비밀 ㆍ 충격량을 받는 시간 073
땀을 흠뻑 흘렸는데 아무런 일도 안 했다고ㆍ ㆍ 일과 에너지 077
#깊게 읽는 물리학-상상을 현실로! 가상현실 게임 084

3. 작용ㆍ반작용의 법칙-주는 만큼 받는 제로섬 게임 087
손뼉 씨름의 고수가 되는 법 ㆍ 물체 사이의 작용ㆍ반작용 089
달리기할 때 왜 엎드려서 출발할까ㆍ ㆍ 지표면과의 작용ㆍ반작용 094
빠른 스케이팅의 비결은 스케이트 날ㆍ ㆍ 마찰과 미끄러짐 102
얼음판 위의 체스, 컬링 ㆍ 작용ㆍ반작용의 두뇌 게임 107
체육 시간에 에너지는 필수! ㆍ 모든 활동의 원천, 에너지 112
#깊게 읽는 물리학-진짜 사람 같은 밀랍 인형이 있다고ㆍ 118

4. 힘의 분해와 합성-작은 힘으로도 괴력을 121
이것만 알면 나도 발차기 왕 ㆍ 내력과 외력 123
통쾌한 엎어치기, 어렵지 않아 ㆍ 힘의 3요소 130
팽팽한 줄다리기의 결말은ㆍ ㆍ 힘의 합성 134
인라인스케이트의 핵심은 V자 걸음 ㆍ 힘의 분해 140
#깊게 읽는 물리학-운동량 보존 법칙을 이용한 롤러스케이트 묘기 146

5. 힘의 효과-숨겨진 힘을 찾아라 149
UFO처럼 휘어지는 마법 같은 슛 ㆍ 마그누스 효과 151
3점 슛을 쏘려면 황금 각을 찾아라 ㆍ 포물선 운동 158
시원한 홈런의 비결은 방망이의 ‘스윗 스팟’ ㆍ 회전력의 균형 164
양궁에 숨겨진 물리법칙 ㆍ 탄성에너지와 작용ㆍ반작용 171
#깊게 읽는 물리학-눈에 보이지 않는 공기의 무서운 힘 176

교과 연계 178
찾아보기 222

만약 슬라이딩하는 데 마찰력이 없다면 어떤 일이 벌어질까? 슬라이딩하던 자세로 쭉 미끄러져 나갈 것이다. 앞에서 막아 주는 벽이나 사람이 없다면 절대 멈출 수 없어서 지구를 벗어날지도 모른다. 중력마저도 없다면 영원히 지구와 작별이다! 그런데 그 전에 달릴 수는 있을까? 멈춘 상태였다면 슬라이딩은 물론이고 애초에 달리지도 못했을 것이다. 지구 표면의 모든 물체는 중력과 마찰력을 바탕으로 운동하기 때문이다._15쪽가벼운 물체는 쉽게 속도를 낼 수 있지만 그만큼 쉽게 속도를 잃을 수 있다. 따라서 공은 운동경기에 따라 적합한 무게가 있다. 볼링공을 한 번만 굴려 열 개의 핀을 모두 쓰러트리기 위해서는 공에 충분한 운동량이 필요하다. 몸 뒤에서부터 앞까지 크게 움직여 공에 충분한 힘을 가해 운동량을 크게 한다. 이때 단지 공의 속도가 빠르다고 해서 핀을 모두 쓰러뜨릴 수 있는 것은 아니다. 공의 질량이 충분해야 다른 물체를 치고도 운동량이 남는다._28쪽 야구 글러브는 입구부터 두껍게 만들어 공이 글러브 안에서 멈출 때까지 접촉 시간을 늘려 줘서 매초 받는 힘의 크기, 즉 충격력을 줄여 준다. 여기에 투수의 공을 받을 때 손을 뒤로 빼면서 받는 것은 날아오는 공과의 접촉 시간을 늘려 힘의 세기를 줄이기 위한 방법이다. 글러브에는 공을 받는 그물이 있어서 공을 손에 직접 닿지 않게 하고도 받을 수 있다._74쪽 스케이트 날이 얼음판에 닿는 압력으로 얼음이 녹아 수막이 형성되면 날이 잘 미끄러져 앞으로 나간다. 날이 지나간 얼음판의 물은 압력이 다시 낮아지면서 얼음으로 바뀌고, 날이 막 맞닿은 얼음판은 압력 때문에 수막이 형성된다. 그러나 온도가 너무 많이 낮아지면 액화가 잘 되지 않는다. 영하 15~20도까지 스케이트가 잘 미끄러지지만, 영하 30도 이하로 내려가면 물이 녹지 않고 바로 얼어서 스케이트를 즐길 수 없다._105쪽공기가 운동에 저항하는 힘을 가해 물체의 속도를 줄이기만 할 것이라 생각하기 쉽다. 그런데 공기와의 적당한 마찰은 전체적으로 공기의 저항력을 줄이는 역할을 한다. 야구공과 함께 장타를 요구하는 골프공에도 딤플(dimple)이라는 홈을 만든 이유가 공기와의 마찰을 줄이기 위한 것이다. 매끄러운 표면이 공기 저항을 줄여서 빠르게 움직일 거라는 상상과 달리 속도를 줄이는 저항으로 작용한다._156쪽