무게 측정
지구에서 물체의 무게가 1kg이라는 말은 지구가 그 물체를 1kg 강도의 힘으로 잡아당기고 있다는 뜻이다. 우리가 사는 지구에서 이 물체를 저울 위에 올리면 지구가 물체를 잡아당기는 힘만큼 용수철이 압축되면서 바늘이 1kg을 가리키게 된다. 즉, 무게란 물체에 작용하는 중력의 크기를 뜻한다. 중력의 크기는 물체의 질량에 비례하므로, 질량이 큰 물체에는 그만큼 큰 중력이 작용해서 무게가 많이 나가는 것이다.
장소를 옮겨 달에서 이 물체의 무게를 재면 저울 바늘은 0.17kg 부근까지밖에 가지 않는다. 달의 중력이 지구 중력의 6분의 1 밖에 안되기 때문에 물체의 무게도 6분의 1로 줄어든 것이다. 나아가 중력이 작용하지 않는 우주에서 똑같은 실험을 하면 저울 바늘은 숫자 0을 가리킨다.
같은 물체라도 중력이 큰 곳에서는 무게가 많이 나가고 중력이 작은 곳에서는 무게가 덜 나간다. 이때 장소에 따라 변한 것은 중력과 무게일 뿐, 질량에는 변함이 없다. 질량은 물체가 가진 고유의 양으로, 언제 어디서나 일정하다.
질량
같은 장소에서 질량 1kg인 물체와 질량 2kg인 물체에 각각 힘을 주어 밀어보면 질량 2kg인 물제를 미는 것이 더 힘들다. 두 물체를 같은 시간동안 같은 힘으로 계속 밀어 옮긴다면 질량 2kg인 물체를 옮긴 거리는 질량 1kg인 물체를 옮긴 거리의 절반밖에 안될 것이다. 즉, 질량 2kg인 물체를 운동시키는 것은 질량 1kg인 물체를 운동시키는 것보다 두배 더 힘든 일이다. 이처럼 물체를 운동시키기 힘든 정도가 바로 질량이다.
이렇게 정의하는 질량을 '관성 질량'이라고 한다. 가만히 있는 물체가 움직이지 않으려고 하는 성질을 '관성'이라고 하며, 질량이 큰 물체일수록 관성력이 커서 운동시키려면 더 큰 힘이 필요하다. 중력이 작용하지 않는 우주에서 물체의 무게는 느낄 수 없지만, 질량은 느낄 수 있다. 우주에서도 질량에 비례해 관성력이 작용하기 때문이다.
우주에서의 질량
- 우주에서도 질량이 작은 물체는 손으로 가볍게 움직일 수 있지만, 거대한 모듈처럼 질량이 큰 물체는 강력한 로봇팔을 이용해 움직여야 한다.
물리학에서는 측정 방법에 따라 질량을 두 가지로 구분한다. 중력이 질량과 비례한다는 원리를 이용해 측정하는 것을 '중력 질량'이라고 하며, 관성력이 질량과 비례한다는 원리를 이용해 측정하는 것이 '관성 질량'이다. 측정 방법은 달라도 중력 질량과 관성 질량은 정확히 같은 값을 지니며, 물체의 질량은 언제 어디서나 변하지 않는다.
아인슈타인은 근본적으로 중력과 관성력이 같다는 해석을 내놓았는데, 이를 '등가 원리'라고 하며 일반 상대성 이론의 기본 원리 중 하나다.
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