<무대장치 매달기> 해설을 시작하고 아는 후배로부터 연락을 받았다. 책에서 계산식이 많이 나오는데 N은 뭐고, kgf는 뭐냐고... 나도 처음 구조계산을 위한 기초 물리학을 배울때, 질량, 무게, 힘(force) 등의 개념이 혼란스러웠다. 질량과 무게의 차이를 이해하려면 우주적 관점이 필요하다. 물리학을 공부하지 않은 사람들은 모든 물리학적 개념을 시각적 상상과 경험에 의존하기 때문에 질량과 무게의 차이는 철학적 사고의 영역으로까지 느껴진다. 특히 일상 생활에서 무게의 단위를 킬로그램(kilogram)으로 사용하는 국내에서는 질량과 무게의 차이를 인식하기가 더 어려웠다.
질량이란 물질을 이루는 구성요소의 일정한 양이라고 할 수 있다. 무게는 이 물리량을 인력으로 끌어당기며 발생하는 힘이다. 즉, 사람의 몸은 일정한 원자의 알갱이로 이루어져있고, 이를 지구의 중력이 잡아당겨 저울의 눈금을 움직이는 것이다. 그래서 중력이 작은 달이나 화성에 가면 무게가 줄어들지만 질량은 변하지 않는 것이다. 질량과 무게의 차이를 이해하려면 이렇듯 한번도 가본 적 없는 우주를 상상해야 한다.
위에서 든 예에서 질량의 단위는 킬로그램(kilogram)이다. 킬로그램은 불어인 kilogramme에서 왔고, 그리스 어 khilioi와 라틴어 γράμμα(gramma)의 조합이라고 하며, 각각 '1000', '아주 작은 무게의 단위'라는 뜻이라고 한다. 애초에는 1795년 프랑스의 법에 물 1리터를 기준으로 1kg으로 정한 기록이 있다고 한다(Wikipedia). 현재에는 플랑크 상수를 기반으로 킬로그램을 정의한다고 한다. 여기서 부터는 이해 불가... ㅠㅠ
무게 혹은 힘의 단위는 뉴튼(Newton)인데, 다들 알겠지만 중력을 발견하고 수학적으로 정의한 뉴튼의 업적을 기려 그의 이름을 따랐다. 뉴튼은 1kg의 질량을 1m/s의 속력으로 1초 동안 가속하는 데 필요한 힘이다. 그래서 1kgf * 1m/s/s 을 1Newton(1N)이라고 한다. 그래서 질량 1kg은 지구의 지표면에서 약 9.8N의 무게이다. 질량 1kg을 지구의 중력 가속도로 9.80665 m / s2 당겨진 것이다. 그래서 편의상 kg을 Newton으로 환산할때 대략 10을 곱한 수로 이해한다.
질량은 당기는 힘이 없다면 무게감을 느낄 수 없는데, 이 우주에는 태초부터 당기거나 미는 힘이 존재한다. 이것이 강력, 약력, 중력, 전자기력이다. 질량에는 당기는 힘이 존재하고 엄청난 질량이 뭉치면 인력(중력)이 발생한다. 이 때문에 지구 상의 모든 것들이 지표면에 달라붙어 사는 것이다.
킬로그램 포스(kilogram force)는 국제 공인 단위는 아니지만, 지구의 중력 가속도 하에서 1kg의 힘을 가리킨다. 지구의 지표면에서의 평균 중력가속도를 생략하여 표기한다고 이해하면 된다. 힘의 단위 Newton이 나오기 이전에 사용된 개념이다.
매달기란 이런 지구의 중력에 대항하여 무엇인가를 공중에 매달아 두는 것이다. 공중에 떠 있으려면 지구의 질량이 지속적으로 당기는 힘에 대응하여 반대 방향의 힘이 필요하다. 이 힘은 덧마루의 다리에 숨어 있을 수도 있고, 장치를 매단 로프에 있을 수도 있고, 천장에 고정한 볼트에 있을 수도 있다. 이 힘을 이겨내지 못하면 추락한다.
<참고>
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