물리 배우기
대화형 시뮬레이션에서 개념을 직접 실습할 링크가 포함된 짧은 개념 기사.
개념 기사
포물체 운동
공을 던지거나, 축구공을 공중으로 차거나, 대포를 발사할 때 나타나는 궤적은 물리학에서 가장 알아보기 쉬운 형태 중 하나입니다. 바로 포물선입니다. 포물선 운동은 물체의 운동을 서로 완전히 독립적인 두 요소로 나누어 분석합니다. 하나는 일정한 수평 속도이고, 다른 하나는 중력에 의해 아래로 꾸준히 가속되는 수직 속도입니다. 두 요소는 서로에 대해 전혀 알지 못하며, 이를 따로 다룬 뒤 결과를 다시 합치는 방식 덕분에 기본적인 운동학만으로도 발사체가 얼마나 멀리 날아가는지, 공중에 얼마나 오래 머무는지, 얼마나 높이 올라가는지를 정확히 예측할 수 있습니다.
옴의 법칙
단순한 손전등부터 휴대전화 충전기까지, 여러분이 만드는 모든 회로는 세 가지 양을 연결하는 같은 세 가지 양에 의존합니다. 배터리가 얼마나 세게 밀어내는지(전압), 그 결과로 얼마나 많은 전하가 흐르는지(전류), 그리고 경로에 있는 부품들이 그 흐름을 얼마나 강하게 방해하는지(저항)입니다. 오므 성분에 대해서는 옴의 법칙 V = IR이 이 세 가지를 산술만으로 회로의 동작을 예측할 수 있을 만큼 단순한 비례 관계로 묶어주며, 직렬·병렬 회로망부터 실제 전자기기에 쓰이는 교류 회로에 이르기까지 그 뒤를 잇는 더 고급한 회로 해석 기법 전체의 토대가 됩니다.
광전 효과
금속 표면에 빛을 비추면, 특정 조건에서 전자가 튀어나옵니다. 고전 물리학이 이를 설명하려 했을 때 이는 유난히 이상한 결과로 남았습니다. 19세기 파동 이론은 빛이 어두울수록 전자를 더 느리게 방출할 뿐, 충분한 시간이 지나 에너지가 쌓이면 결국 방출될 것이라고 예측했습니다. 그러나 실제 실험 결과는 정반대였습니다. 특정 문턱 진동수 이하에서는 아무리 강한 빛을 아무리 오래 비춰도 전자가 단 하나도 나오지 않았고, 그 문턱 진동수를 넘으면 아무리 약한 빛이라도 즉시 전자를 방출했습니다. 1905년 아인슈타인의 설명, 즉 빛 자체가 나중에 광자라 불리게 될 불연속적인 에너지 덩어리로 도달한다는 설명이 이 수수께끼를 풀었고, 양자역학을 세운 초창기 성과 중 하나가 되었습니다. 그는 이 업적으로 1921년 노벨 물리학상을 받았습니다.
정상파
기타 줄을 튕기거나, 병 입구에 바람을 불거나, 줄넘기 줄을 꼭 맞는 속도로 흔들면 모두 같은 현상을 보게 됩니다. 같은 매질을 따라 반대 방향으로 진행하는 두 파동이 간섭을 일으켜, 이동하는 대신 제자리에 멈춰 있는 것처럼 보이는 패턴을 만들어냅니다. 이는 파동이 고정단이나 자유단에서 반사되어 자신의 반사파와 겹칠 때마다 일어납니다. 대부분의 진동수에서는 결과가 뒤죽박죽인 무질서한 형태가 되지만, 특정한 공명 진동수에서는 간섭이 깔끔하고 정지된 패턴으로 고정됩니다. 이 패턴에는 전혀 움직이지 않는 점들(마디, node)과 최대 변위 사이를 오가며 흔들리는 점들(배, antinode)이 나타납니다. 현악기부터 관악기, 드럼 표면에 이르기까지 거의 모든 악기가 안정된 음정을 만들어내는 데 바로 이 현상에 의존합니다.
부력
육중한 강철 화물선은 물에 뜨지만, 작은 강철 동전은 가라앉습니다. 같은 재료인데도 결과는 완전히 다르며, 그 이유는 단순히 무게만으로는 설명되지 않습니다. 유체에 잠긴 물체는 그만큼의 유체를 밀어내고, 유체는 자신이 밀려난 부피만큼의 무게와 정확히 같은 크기의 위쪽 힘으로 되밀어냅니다. 이 관계는 이천 년도 더 전에 아르키메데스가 발견했으며, 지금도 물리학에서 가장 오래된 정량적 법칙 중 하나로 변함없이 가르쳐지고 있습니다. 이 위로 밀어내는 힘이 물체를 띄우기에 충분한지는 무게만이 아니라 형태에 달려 있습니다. 배의 선체는 자신의 무게에 비해 엄청난 부피의 물을 밀어내는 반면, 속이 꽉 찬 동전은 아주 적은 양만 밀어냅니다.