중력

중력은 무엇인가요?

중력은 질량이 있는 모든 물체가 서로 끌어당기는 힘이고, 거리가 멀어질수록 효과는 약해지지만 범위는 무한해요. 한국어기초사전은 일상에서 쓰는 뜻을 ‘지구가 지구 위의 물체를 끌어당기는 힘’으로 풀이해요. 지구에 중력이 작용하기 때문에 무엇이든 아래로 떨어지고, 사람이 땅 위에 서 있을 수 있어요. 지표면에서는 지구가 가하는 중력 때문에 물체가 무게를 가지고, 달이 지구에 가하는 중력으로는 조석이 생겨요.

중력은 어떤 식으로 나타내나요?

뉴턴의 만유인력 법칙은 질량이 m₁, m₂인 두 물체가 거리 r만큼 떨어져 있을 때 중력의 세기를 F = G·m₁·m₂ / r²로 나타내요. G는 중력 상수이고 매우 작은 값이라 헨리 캐번디시 등이 측정에 성공했어요. 기상자료개방포털은 이 힘이 두 물체의 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하며, 뉴턴의 중력 상수가 G = 6.672 x 10 -11 이라고 소개해요.

지표면에서 낙하하는 물체에는 F = mg를 써요. m은 질량이고 g는 중력으로 인한 가속도로 평균 9.81m/s²이에요. 이때 물체가 받는 힘 F가 무게예요. 높이 h에 있는 물체의 위치 에너지는 Ep = mgh = Wh로 나타내고(W는 무게), 지구 표면에서 멀리 떨어져 중력가속도가 달라지는 경우에는 쓰지 못해요.

중력을 실험이나 관측으로 어떻게 확인했나요?

정지 상태에서 낙하하는 물체를 초당 20번 촬영하면, 첫 1/20초 동안 1만큼, 2/20초 동안 4만큼, 3/20초 동안 9만큼 떨어져요. 중력장 안에서 낙하하는 물체는 낙하 시간의 제곱에 비례하는 거리만큼 떨어진다는 뜻이에요.

하늘에서는 관측이 이론을 확인해 줬어요. 존 쿠치 애덤스와 위르뱅 르베리에는 천왕성 궤도에서 미지의 행성의 궤도를 계산했고, 그 자리에서 1846년 해왕성이 발견됐어요. 1919년 개기일식 원정에서는 태양의 중력이 만드는 별빛의 굴절량이 아인슈타인의 이론을 지지했어요. 2016년 2월 12일에는 13억 광년 떨어진 두 블랙홀이 충돌하며 낸 중력파가 LIGO에서 관측됐어요.

중력 이해는 어떤 순서로 발전해 왔나요?

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중력은 생활 속에서 어떻게 쓰이나요?

중력은 우리 몸과 일상에 항상 작용해요. 다세포 생물이 중력 방향으로 자라는 굴지성을 보이거나 순환계가 영향을 받는 등 생물의 성장과 기능에도 영향을 줘요. 우주에서는 가스 물질이 중력으로 합쳐져 별을 만들고 은하를 이뤘어요. 행성은 항성을 돌고 항성은 은하계 중심을 돌며, 이런 궤도는 뉴턴의 중력 법칙으로 질량을 추론하는 데 쓰여요.

뉴턴의 중력 법칙을 천체 궤도에 적용하면 직접 탐사하지 못하는 태양과 행성의 질량도 알 수 있고, 암흑물질의 존재도 이 법칙으로 추론했어요. 집 안에서는 높은 곳에 둔 물건이 위치 에너지를 가지고, 떨어지면 낙하 시간의 제곱에 비례한 거리만큼 떨어져요. 토목에서도 중력이 쓰여요. 흙을 받치는 옹벽 가운데 중력식 옹벽이 대표적이에요(아래 장에서 자세히 설명해요).

중력식 옹벽, 중력식 블록은 중력과 무슨 관계인가요

옹벽은 종류가 재료와 구조 두 가지 기준으로 나뉘어요. 재료에 따라서는 철근 콘크리트, 철근을 쓰지 않는 무근 콘크리트, 석조, 보강토로 나누고, 구조에 따라서는 중력식, 캔틸레버식, 부벽식으로 나눠요.

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이 가운데 중력식 옹벽은 무근 콘크리트나 석조로 만드는 형식이에요. 옹벽은 흙의 압력을 받는 구조물이라서 구조에 따라 형식을 고르고, 중력식 옹벽과 같은 분류 이름은 토목공학 교재에서 쓰는 용어예요.

일반 상대성이론은 중력을 어떻게 설명하나요

1905년 전자기학과 빛의 문제를 풀려는 과정에서 시간과 공간의 개념을 바꾼 특수 상대론이 탄생했고, 이 이론은 고전 역학의 모든 요소, 특히 중력에 본질적인 수정을 요구했어요. 그 요구를 가장 잘 만족시킨 이론이 1915년에 발표된 아인슈타인의 일반 상대론이에요. 아인슈타인은 관성 질량과 중력 질량이 같다는 관찰인 등가 원리에서 출발해, 중력을 4차원 시공간의 곡률에 의한 기하학적 현상으로 바꿔 설명했어요.

이 이론에서 나온 아인슈타인 방정식은 수성의 근일점 문제를 정확히 풀었고, 중성자별과 블랙홀을 새로 예측했어요. 일반 상대론에 따르면 우주 전체에 고루 퍼진 물질이 우주의 구조와 진화에 관여하므로, 허블 법칙 같은 관측 결과도 설명하는 우주 모형을 만들 수 있어요. 다만 양자 역학과 맞지 않는 점이 남아 있어 현대 물리학의 숙원 과제로 꼽혀요.

지구 위치에 따라 중력은 얼마나 달라지나요

지구는 구체에 가깝지만 자전 원심력 때문에 적도 반지름이 극 반지름보다 길고, 산맥 같은 지형이 있으며 내부 물질의 밀도도 균일하지 않아요. 그래서 지구 표면에 있는 물체가 받는 중력은 위치에 따라 조금씩 달라요. 지구 표면의 중력은 지구가 물체를 당기는 만유인력과 지구 자전에 의한 원심력의 합이에요. 적도에서는 원심력이 가장 세고 만유인력은 지구 중심에서 가장 멀어서 가장 약하므로 중력이 가장 약해요. 그래서 적도 중력가속도는 9.780m/s²로 극지의 9.832m/s²보다 작아요.

위치에 따라 물체의 무게가 달라진다는 혼동을 막으려고 국제도량형국은 표준 중력을 지정하고 SI 단위로 나타내요. 같은 질량이라도 적도와 극지에서 저울이 가리키는 무게가 조금 다를 수 있다는 뜻이에요.

중력파는 무엇이고 어떻게 관측했나요

중력파는 질량을 가진 물체가 가속운동을 할 때 생기는 중력의 변화가 시공간을 전파해 가는 ‘시공간의 잔물결’이에요. 아인슈타인이 1916년 일반 상대성 이론에서 파동방정식을 유도해 존재를 예측했어요. 태양계의 중력파는 측정하기에 너무 작아요. 하지만 PSR B1913+16 같은 쌍성 펄사계가 시간이 지나며 에너지를 잃는 것에서 간접적으로 확인할 수 있어요.

중성자별의 융합이나 블랙홀 형성이 측정 가능한 양의 중력파를 만든다고 보며, 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 같은 관측소가 이를 연구하려고 설립됐어요. 2016년 2월 12일에는 13억 광년 떨어진 두 블랙홀이 충돌하며 낸 중력파를 관측했어요.

중력과 함께 알아 둘 개념은 무엇인가요?

중력은 현재까지 알려진 네 가지 기본 상호작용 가운데 하나이고, 가장 약해요. 강력보다 10의 38제곱 배, 전자기력보다 10의 36제곱 배, 약력보다 10의 29제곱 배 약해서 아원자 입자 규모에서는 영향이 작지만, 천문학적 규모에서는 행성·항성·은하의 운동과 빛의 경로를 결정해요.

교과와 이어지는 개념도 있어요. 질량은 물체의 양이고 무게는 질량 m에 중력가속도 g를 곱한 힘이에요. 지구 표면의 중력은 지구가 당기는 만유인력과 자전에 의한 원심력의 합이라, 적도에서 가장 약해요. 일반 상대론의 출발점인 등가 원리는 관성 질량과 중력 질량이 같다는 관찰이에요. 은하 변두리 별의 공전속도가 중심 가까운 별과 같거나 더 빠른 현상은 암흑물질의 분포 차이로 설명하지만 정체는 아직 수수께끼예요.

중력은 우주에 없을 때도 있나요?

한국어기초사전의 예문에는 ‘우주 공간에는 중력이 없기 때문에 우주인이 떠다닌다’는 대화가 있지만, 위키백과는 중력이 무한한 범위에 영향을 미치고 거리가 멀어질수록 효과만 약해진다고 설명해요. 우주선 안에서 떠다니는 것은 중력이 없어서라기보다 자유 낙하 상태이기 때문이에요.

이름 때문에 헷갈리는 말도 있어요. 밀가루 종류의 ‘중력분’은 글루텐 함량에 따른 이름이고, 칼국수나 수제비 같은 음식에 쓰기 좋은 밀가루예요. 중력과는 전혀 관계없는 말이에요.

중력의 주요 수치는 얼마인가요?

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