[중3 과학] 3단원 5차시: 자유 낙하 운동 2 - 질량과 속도는 무관하다?

높은 곳에서 깃털과 볼링공을 동시에 떨어뜨리면 어떤 것이 먼저 땅에 닿을까요? 일상에서는 당연히 볼링공이 먼저 떨어지지만, 이는 공기 저항 때문입니다.

그렇다면 공기 저항이 없는 진공 상태에서는 어떤 일이 일어날까요?

진공 상태에서는 질량이 달라도 동시에 떨어진다

놀랍게도, 진공 상태에서는 깃털과 볼링공이 동시에 땅에 떨어집니다. 이유는 두 물체 모두 오직 중력만을 받기 때문입니다.

이러한 운동을 우리는 자유 낙하 운동이라고 합니다. 물체가 중력만 받으며 떨어지는 운동이 바로 자유낙하입니다.

옛날 갈릴레오 갈릴레이는 피사의 사탑에서 무거운 공과 가벼운 공을 동시에 떨어뜨리는 실험을 했고, 두 공이 거의 동시에 도착한다는 사실을 관찰했습니다.

그리고 아폴로 우주비행사도 달에서 망치와 깃털을 동시에 떨어뜨리는 실험을 했고, 공기가 없는 달에서는 두 물체가 완전히 동시에 떨어졌습니다.

무거운 물체는 더 많은 중력을 받습니다. 그런데도 가벼운 물체와 같은 속도로 떨어지는 이유는 무엇일까요?

이해를 돕기 위해 생각해 봅시다. 무거운 물체를 같은 속도로 끌기 위해선 더 많은 힘이 필요하죠? 마찬가지로, 중력도 무거운 물체에는 더 큰 힘을 작용시킵니다.

결과적으로 힘이 커진 만큼 저항(질량)도 크기 때문에, 최종적으로는 같은 속력 증가를 보이는 것입니다. 이것이 바로 모든 물체가 같은 가속도로 낙하하는 이유입니다.

자유 낙하에서는 어떤 물체든지 1초에 9.8m/s씩 속력이 증가합니다. 이는 공기 저항이 없는 경우이며, 물체의 무게나 모양과 관계가 없습니다.

자유 낙하의 개념은 운동 법칙과 중력을 이해하는 데 매우 중요한 기초이므로 꼭 숙지해야 합니다.