KISTI의 과학향기

우리가 어딘가로 이동하기 위해 타는 자전거나 자동차, 비행기 등에는 모두 바퀴가 사용돼요. 바퀴는 6,000여 년 전 지금의 이라크 땅 수메르에서 만들어졌어요. 바퀴가 생기고 나서 물건을 옮기거나 여행하는 일이 훨씬 쉬워졌지요.

여기서 잠깐 바퀴의 모양을 살펴볼까요? 크기나 재질은 달라도 모든 바퀴의 모양은 ‘원’이에요. 어느 한 군데 모난 곳 없는 둥근 생김새 덕분에 앞으로 굴러가야하는 바퀴 모양으로는 제격이지요. 그런데 아무리 원 모양이어도 계속 굴러가기 위해서는 힘을 가해줘야 해요. 자동차에는 엔진이 있어 바퀴를 굴려 달릴 수 있답니다.

하지만 엔진 없이도 비탈길을 올라가는 바퀴를 만들 수 있어요. 바로 ‘무게중심’의 원리를 이용하면 말이죠!


[교과과정]
초 6-2 에너지와 도구
중 1 힘과 운동

[학습주제]
물체의 수평 잡기
물체의 무게중심

<실험 방법 및 원리>







무게중심은 물체 각 부분에 작용하는 중력들이 모아지는 작용점을 말해요. 쉽게 설명하면 물체의 무게가 어느 쪽으로도 치우치지 않도록 공평하게 나눠주는 지점이지요. 무게중심과 떼려야 뗄 수 없는 사이가 있는데, 바로 중력이에요. 중력이 있어야 무게가 있고, 그래야 무게의 중심이 있겠지요?


무게중심은 아래에 있을수록 안정하답니다. 오뚝이는 아랫부분이 무겁게 만들어져 바닥과 가까운 곳에 무게중심이 위치하지요. 때문에 넘어져도 금방 균형을 되찾고 다시 일어나요. 실험에서 깔때기 모양의 종이 두 개의 입구 부분을 맞붙이면 깔때기가 마주 붙은 중심부가 무게중심이 돼요. 바퀴가 굴림대를 따라 올라가는 모습을 옆에서 보면 [그림]처럼 바퀴의 중심부가 점점 굴림대에 가까이 가는 것을 볼 수 있어요. 바퀴 자체는 언덕 위쪽으로 올라가지만, 바퀴의 무게중심은 바닥에 가까워져 가는 것이지요. 때문에 동력 없이도 자연스레 경사진 비탈길을 따라 올라가는 것처럼 보이는 거랍니다.?

우리 눈에 보이는 모든 물체에는 무게중심이 있어요. 자동차, 항공기, 선박 등 우리가 이용하는 운송 수단도 무게중심을 고려해 설계됩니다. 항공기나 선박은 땅에서 달리는 교통수단보다 몸체의 균형이 대단히 중요해요. 선박은 큰 파도나 폭풍을 만나도 가라앉지 않도록 무게중심이 선박 밑에 위치하게 설계하지요. 무게중심이 잘못 만들어지면 치명적인 사고로 이어질 수 있어요.

바닷가에서도 무게중심을 찾을 수 있어요. 방파제에 가면 삐죽빼죽한 커다란 구조물들이 잔뜩 쌓여 있는 걸 볼 수 있지요. 이것은 4개의 뿔을 가진 ‘테트라포드’로, 파도나 해일을 막아 방파제를 보호하는 역할을 해요. 테트라포드의 뿔 4개를 연결하면 정사면체 구조가 되지요. 그런데 다양한 도형 중 왜 하필 정사면체 구조를 사용한 것일까요? 정사면체의 무게중심은 바닥에 있어요. 정다면체 중 정사면체의 무게중심이 가장 아래쪽에 위치하고 있어 안정적이기 때문이랍니다.

오리가 걸을 때의 모습을 자세히 살펴봐도 무게중심의 변화를 알 수 있어요. 오리가 뒤뚱거리며 걷는 모습은 날지 못 하는 새가 걷는 모습과 비슷하지요? 이들은 모두 머리를 앞뒤로 흔들며 아장아장 걷지요. 머리를 앞으로 움직이는 것은 몸통의 무게중심을 앞쪽으로 이동시키기 위해서랍니다.

그렇다면 사람은 왜 머리를 앞뒤로 움직이지 않고도 잘 걸을 수 있는 걸까요? 흔히 사람은 팔만 흔들며 걷는다고 생각하지만 실제로는 목, 어깨, 허리 등 거의 모든 관절을 사용해서 걸어요. 그래서 몸의 무게중심을 이동시키는 방법도 체형마다 다르고, 그에 따라 걸음걸이도 달라지는 거랍니다.

[다운로드 : 비탈길 오르는 바퀴 도면1]

[다운로드 : 비탈길 오르는 바퀴 도면2]

글 : 유기현 과학칼럼니스트