1. 물체의 위치
(1) 장소와 위치
장소는 어떤 물체가 있는 곳이나 물체가 차지하고 있는 공간을 가리킨다. 반면 위치는 공간상의 위치를 기준점으로부터의 방향과 거리로 나타낸다. 즉, 장소는 물체의 이름이나 지명을 사용해서 나타내지만, 위치는 좌표계를 이용하여 나타낸다.
(2) 위치를 나타내는 방법
직교 좌표계는 물체의 위치를 과학적으로 나타내는 대표적인 방법이다. 직교 좌표계에서는 x축과 y축이 직각으로 서로 교차되어 있으며, x축에 투영된 값과 y축에 투영된 값을 이용하여 공간상의 위치를 나타낼 수 있다. 극좌표계는 원점으로부터 거리 (r)와 각도로 나타내는 방법이다. 즉, 물체의 위치를 P라고 한다면, 원점에서 P까지의 거리와 반시계 방향으로 극에서부터 원점에서 P 점을 이은 선분의 각( )으로 물체의 위치를 표시하는 방법이다.
2. 물체의 운동
(1) 이동 거리와 변위
운동하는 물체는 시간이 지남에 따라 위치가 달라진다. 이동 거리는 물체가 실제로 지나간 경로를 모두 합한 거리이다. 시간이 지남에 따라 물체가 운동한 경우, 출발점에서 도착점을 잇는 선분을 그릴 수 있다. 이 선분을 통해 물체의 위치 변화량을 거리와 방향으로 나타낼 수 있는데 이것을 변위라고 한다. 변위는 물체의 실제 이동 경로와는 관계가 없다. 아래 그림에서 물체의 이동 거리는 4km이고, 변위는 북동쪽 방향으로 2km이다.
(2) 속력과 속도
속력과 속도는 물체의 빠르기를 나타내는 방법이다. 단위 시간당 물체의 ‘이동 거리’는 속력이고, 단위 시간당 물체의 ‘위치 변화량’은 속도이다. 즉, 속력은 크기만을 갖는 양이고, 속도는 크기와 방향을 모두 갖는 양이다.
속력은 이동한 거리를 걸린 시간으로 나누어 구할 수 있고, 속도는 변위를 걸린 시간으로 나누어 구할 수 있다. 예를 들어 위의 그림에서와 같이 집에서 도서관까지 1시간 동안 이동했다면 속력은 4km/h이지만 속도는 북동쪽 방향으로 2km/h이다. 단, 초등학교 과학에서는 속력만을 다루도록 한다.
(3) 순간 속력과 평균 속력
우리 주변에서는 시간이 지남에 따라 속력이 변하는 경우를 흔히 볼 수 있다. 버스가 정류장에서 멈추었다가 출발하는 경우, 신호등이 빨간불로 바뀌어 자동차가 서행하는 경우 등에서 속력은 시간이 지남에 따라 계속 변한다. 이러한 속력의 변화는 자동차의 계기판을 통해 알 수 있는데, 이때 나타나는 속력은 자동차 순간순간의 속력을 나타내기 때문에 순간 속력을 나타낸다고 볼 수 있다. 만약 같은 거리를 이동한 자동차를 걸린 시간으로 나누어 속력을 구했다면 이는 평균 속력에 해당한다.
3. 관성 법칙과 갈릴레이
편평한 바닥에 공을 굴리면 공의 속력이 점차 줄어들다가 멈추게 된다. 이 현상을 아리스토텔레스(384~B.C.322)는 손을 떠난 물체가 운동하는 것은 물체를 움직이게 하는 어떠한 힘이 전달되었기 때문이고, 공이 멈추는 것은 이 힘이 더 이상 작용하지 않기 때문이라고 설명하였다. 하지만 관성(inertia)이라는 개념이 확립되면서 이 이론은 받아들여지지 않게 되었다. 갈릴레이(1564~1642)의 사고 실험을 통해 관성의 개념을 쉽게 이해할 수 있다. 이 실험에서 마찰이 없다고 가정하면 경사면에 놓인 쇠 구슬은 원래 있던 높이까지 계속 이동하게 된다. 뉴턴(1642~1727)은 갈릴레이가 사용한 관성의 개념을 확립하고, 운동의 제1 법칙으로 삼았다. 즉, 외부의 힘이 작용하지 않는 한 물체는 일정한 속력으로 계속 직선 운동을 한다는 법칙이다. 오늘날 우리는 편평한 바닥에 굴린 공이 멈추는 현상은 공이 운동하는 반대 방향으로 어떠한 힘(마찰력)이 작용한 것이라고 이해할 수 있게 되었다.
4. 물체의 운동을 표현하는 방법
물체의 운동을 표현하기 위해서는 시간의 흐름과 물체의 위치를 나타낼 수 있는 좌표계가 필요하다. 즉, 시간의 흐름과 기준점으로부터 방향과 크기를 나타낼 수 있어야 한다. 아래의 오른쪽 그림은 왼쪽 그림에서 1초 뒤의 모습을 나타낸 것이다. 달리는 남자의 경우 왼쪽 그림에서는 기준점에 있었고, 1초 뒤에는 기준점으로부터 동쪽으로 5 m 떨어진 지점에 위치해 있다. 즉, 달리는 남자는 1초 동 안 기준점으로부터 동쪽으로 5 m를 운동했다고 표현할 수 있다. 또 달리는 여자는 왼쪽 그림에서는 기준점으로부터 동쪽으로 5 m, 1초 뒤에는 동쪽으로 7 m 떨어져 있으므로 달리는 여자는 1초 동안 기준점으로부터 동쪽으로 2 m를 운동했다고 표현할 수 있다.
5. 롤러코스터는 어떻게 작동할까?
롤러코스터는 설계된 레일을 따라 오르락내리락하면서 탑승자들에게 긴장감과 공포감을 느낄 수 있게 해 주는 놀이 기구이다. 롤러코스터는 일반적으로 전동 체인에 의해 수십 미터까지 위로 올라간 상태에서 빨라지기 시작한다. 롤러코스터의 작동 원리는 에너지 보존 법칙으로 설명할 수 있다. 에너지 보존 법칙은 외부와 차단된 시스템에서의 에너지는 새롭게 생성되거나 소멸되지 않는 것을 의미한다. 마찰과 공기 저항이 없다면, 롤러코스터의 위치 에너지와 운동 에너지의 총합은 항상 같게 된다. 즉, 높은 곳에서 낮은 곳으로 롤러코스터가 이동할 때는 위치 에너지가 운동 에너지로 전환된다. 이때 롤러코스터의 높이는 낮아지고 속력은 빨라진다. 반대로 낮은 곳에서 높은 곳으로 롤러코스터가 이동할 때는 운동 에너지가 위치 에너지로 전환되면서 롤러코스터의 높이는 높아지고 속력은 느려지게 된다. 롤러코스터는 이러한 원리로 움직이기 때문에 높은 곳까지 이동한 이후에는 별도의 동력 장치가 필요 없다. 마치 경사면에서 공을 가만히 놓으면 공이 중력의 영향을 받아 자연스럽게 빗 면을 따라 굴러 내려가게 되는 것과 마찬가지 원리이다. 가장 낮은 곳을 지날 때 롤러코스터의 속력이 가장 빠르지만, 사람들이 느끼는 긴장감과 공포감은 속력과 비례하지는 않는다. 급격하게 변하는 진행 방향, 빠른 속력의 변화, 심리적인 효과 등이 복합적으로 작용한다.