물체의 운동에 대해 알아봅시다.

1. 물체의 운동

물리학에서 운동이란 시간이 지남에 따라 물체의 위치가 변하는 것이다. 운동은 보통 이동 거리, 변위, 속력, 속도, 가속도, 시간으로 기술한다. 물체의 운동은 기준점으로부터 물체의 상대적인 위치 변화를 측정해서 관측한다. 만약 기준점으로부터 물체의 위치가 변하지 않았다면 그 물체는 정지해 있다고 하고, 물체의 위치가 변했다면 운동했다고 한다.

2. 이동 거리와 변위

시간에 따라 위치가 변하는 물체의 이동 거리는 물체의 이동 방향과 관계없이 물체가 운동한 경로의 총길이를 합한 값이다. 변위는 물체의 위치 변화량으로 실제로 운동한 경로와 관계없이 출발점과 도착점을 연결한 직선거리와 방향을 의미한다.

3. 속력과 속도

- 단위 시간

시간당 물리량을 계산할 때 기준이 되는 시간을 의미하는데, 보통 1초, 1분, 1시간 등을 사용한다. 1초, 1분, 1시간을 ‘1s’, ‘1 min’, ‘lh’로 표현하기도 한다.

 - 속력과 속도

속력과 속도는 일상적으로 모두 물체의 빠르기를 나타내는 값으로 속력은 크기만을 갖는 스칼라량이고, 속도는 방향과 크기를 갖는 벡터량이다. 
예를 들어 동쪽으로 30km/h의 빠르기로 달리는 자동차와 서쪽으로 30km/h의 빠르기로 달리는 자동차의 속력은 같지만, 두 자동차의 이동 방향이 다르므로 속도는 다르다.
속력은 단위 시간 동안 물체가 이동한 거리를 의미하는데 물체의 이동 거리를 걸린 시간으로 나누어 구한다. 속도는 단위 시간 동안 물체의 위치 변화량으로 물체의 변위를 걸린 시간으로 나누어 구한다.

4. 순간 속력과 평균 속력

- 순간 속력

도로를 달리는 자동차, 걸어가는 사람 등 우리 주변에 있는 운동하는 물체들의 대부분은 속력이 변하는 운동을 한다. 이처럼 매 순간 속력이 변하는 물체의 운동에서 아주 짧은 시간 동안 이동한 거리로 구한 속력을 순간 속력이라고 한다.

-평균 속력

순간 속력은 매 순간 달라질 수 있으므로 전체 이동 거리를 걸린 시간으로 나누어 속력을 구하는데， 이를 평균 속력이라고 한다. 평균 속력은 물체의 평균적인 빠르기를 의미하는 값이다.

5. 속력이 일정한 운동과 속력이 변하는 운동

등속 직선 운동은 물체의 속력과 방향이 모두 변하지 않는 운동이다. 등속 직선 운동하는 물체에는 자동 계단, 자동길, 케이블카 등이 있다. 가속 운동은 속력 또는 속도가 변하는 운동이다. 가속 운동 중에서 속도가 일정하게 증가하거나 감소하는 운동을 등가속도 운동이라고 한다. 주변에서 볼 수 있는 대부분 물체는 가속 운동을 한다.

6. 육상 달리기 경기에서 결승선 도달 판정에 사용하는 초고속 카메라

같은 거리를 운동하는 걸린 시간을 비교하는 운동 경기에서 육상, 수영, 사이클, 스피드스케이팅 등이 있다. 선수들은 출발선에서 나란히 동시에 출발하여 결승선에 먼저 들어가야 하는데, 이때 순위를 정확하게 가리기 위해서 초고속 카메라를 사용한다. 매초 수십, 수백 장 이상의 사진을 촬영해 천천히 재생하면 물체의 위치를 정확히 알 수 있다. 이 카메라는 순위를 겨루는 운동 경기뿐만 아니라 축구, 야구 등 빠른 물체의 운동을 다루는 운동 경기에도 활용된다. 

7. 지하철의 속력

지하철이 낼 수 있는 최고 속력은 약 100km/h이지만 실제로 운행되는 속력은 20km/h ~ 30km/h이다. 지하철은 역에 도착하면 정지했다가 출발해 달리고, 다음 역에 멈추기 위해서 속력을 줄이는 시간이 필요하므로 빠른 속력을 내기 어렵다. 또한, 곡선 구간에서는 빨리 달리면 탈선할 위험이 있기 때문에 속력을 줄인다. 지하철이 다른 교통수단보다 상대적으로 천천히 달리는 까닭은 여러 가지이다. 땅속에 있는 지하철 선로는 경사진 구간과 구불구불한 구간이 있어서 속력을 내기 쉽지 않다. 또한, 같은 선로에서 앞서가는 전동차와 충돌할 위험이 있어서 거리를 두고 달려야 한다.

8. 비행기의 속력을 측정하는 방법

자동차 계기판에 표시되는 자동차의 속력은 바퀴에 달린 센서를 이용해서 측정한다. 그러나 공중을 날고 있는 비행기는 바퀴로 이동하지 않기 때문에 공기의 흐름으로 속력을 측정한다.
비행기의 속력을 측정할 때는 비행기 앞쪽에 부착된 ‘피토관’이라는 도구를 이용한다. 이 관은 공기의 흐름을 직접 받아들이는 주둥이와 공기의 흐름에 직각으로 위치한 주둥이로 되어 있다. 이 두 관의 압력 차이를 이용해 공기의 흐름을 측정해 비행기의 속력을 구한다.

9. 속력 단위 - 노트, 마하

‘노트(kn)’는 선박, 조류, 항공기, 바람 등의 속력을 나타내는 단위이다. 물체가 이동한 거리를 미터(매나 킬로미터(km) 단위로 측정하는 것이 아니라 바다 위의 거리를 나타내는 ‘해리’라는 단위를 사용한다. 1노트는 1시간에 1해리(1,852m)를 이동하는 속력이다. ‘마하(M, mach)’는 공기 중에 전파되는 소리의 빠르기와 비교한 속력이다. 음속은 실온에서 약 340m/s인데 시속으로 변환하면 1,224km/h에 해당한다. 음속과 같은 빠르기를 ‘마하 1’이라고 한다. 보통 초음속 비행기, 로켓, 미사일 등 고속으로 움직이는 물체의 속력을 나타낼 때 사용한다.

10. 속력이 표시되는 교통안전 표지판의 원리

어린이 보호 구역이나 노인 보호 구역에는 현재 그 곳을 달리고 있는 자동차의 속력이 표시되는 교통안전 표지판이 설치되어 있다. 이것은 운전자가 현재 자신의 속력을 인지해 속력을 줄일 수 있도록 함으로써 사고를 예방하는 데 도움을 준다. 표지판에 부착된 장치에서 발사된 전파는 달려오는 자동차에 반사되어 되돌아오는데, 장치 안에 있는 컴퓨터는 전파가 발사될 때의 입사파의 진동수와 달리는 자동차에 반사되어 되돌아온 반사파의 진동수를 비교해 자동차의 속력을 화면에 표시한다.