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‘사과나무에 열린 사과는 왜 땅으로 떨어지는 걸까?’
어쩌면 너무나 당연하고 자연스러워 보이는 이 현상에 대해 의문을 품고 깊이 탐구하기 시작해서, 아주 중요한 과학 이론을 밝혀낸 학자가 있어요. 바로 영국의 과학자 ‘아이작 뉴턴’이에요. 어릴 때부터 홀로 생각에 잠길 때가 많고, 이것저것 손으로 만들기를 좋아하던 뉴턴은 대학 시절 영국에 흑사병이 크게 번지는 바람에 고향에 내려와 조용히 지내던 시간 동안 많은 사색과 탐구에 빠지게 되었어요. 뉴턴은 바로 이 시기에, 떨어지는 사과를 보고 모든 물체가 서로를 끌어당기는 힘이 있다는 ‘만유인력’의 법칙을 발견한 것으로 유명하지요. 이러한 발견이 없었다면, 끊임없이 태양 주위를 돌며 스스로 도는 지구 위에 사는 우리가 어떻게 저 먼 우주 공간으로 떨어지거나 튕겨 나가지 않고 멀쩡히 서 있을 수 있는지 알 수 없었을 거예요. 지구가 물체를 끌어당기는 힘인 ‘중력’ 또한 만유인력과 관련이 있기 때문이지요.

공부보다 야구가 더 좋은 훈동이는 야구를 계속 하기 위한 엄마와의 약속으로 방과 후 수업인 ‘뉴턴의 실험실’을 신청하게 돼요. 뉴턴의 실험실 수업에서 과학자 아이작 뉴턴과 똑 닮은 김이삭 선생님을 만나면서 과학에는 관심도 없던 훈동이의 머리 속에 하나 둘 궁금증이 생겨나기 시작하지요.
‘야구공은 왜 항상 땅으로 떨어질까?’
‘힘껏 달리다가 멈출 때는 왜 한 번에 딱 멈춰 설 수 없을까?’
‘야구공이 방망이에 맞으면 왜 날아갈까?’
오로지 야구밖에 모르던 훈동이는 ‘뉴턴의 실험실’ 수업에서 만난 뉴턴의 이야기와 다양한 실험들을 통해, 뉴턴이 밝혀낸 여러 가지 운동의 법칙들이 우리 생활과 떼려야 뗄 수 없다는 사실을 알게 돼요. 뿐만 아니라 자신이 가장 좋아하는 운동인 야구와도 아주 밀접한 관련이 있다는 사실도 깨닫게 되지요.
홈런왕을 꿈꾸는 야구 소년 훈동이의 이야기를 따라, 뉴턴이 밝혀낸 운동의 법칙들과 다양한 분야의 업적들이 인류의 삶을 어떻게 변화시켜 왔으며 지금까지도 우리 생활 속에서 어떻게 작용하고 있는지 알아보아요.

떨어지는 사과를 보고 만유인력을 발견한 아이작 뉴턴.
뉴턴의 남다른 호기심과 관찰력 덕분에, 사람들은 자연과 우주에서 너무나도 당연히 일어나는 것처럼 보이는 일들이 왜, 어떻게 일어나는지 이해할 수 있게 되었어요. 뉴턴은 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용과 반작용의 법칙 등 우리 생활과 아주 밀접하고 중요한 운동의 법칙을 발견한 과학자이기도 하지만, 과학뿐만 아니라 수학, 천문학, 음향학 등 다양한 분야에도 많은 업적을 남기며 인류의 역사에 큰 변화를 가져온 인물이에요.
뉴턴은 어떻게 어린 시절을 보냈고 어떤 연구들을 했으며, 어떻게 다양한 분야에 걸쳐 두루두루 많은 업적들을 남길 수 있었을까요? 또 이러한 뉴턴의 연구 결과들은 우리 생활에 어떤 영향을 미쳤을까요?

★ 호기심 많은 외로운 소년, 뉴턴
어릴 때부터 부모님과 떨어져 할머니의 손에서 자란 뉴턴은 친구들과 어울리기보다 홀로 지내기를 좋아했어요. 홀로 자연 현상과 물체들을 유심히 관찰하며 뭔가를 만들기를 좋아해서, 직접 해시계나 풍차, 물레방아 같은 것을 만들기도 했지요.

★ 떨어지는 사과를 보고 만유인력을 발견하다
영국 케임브리지 대학에 다니던 뉴턴은 당시 영국 전역에 퍼진 흑사병 때문에 고향으로 잠시 내려와요. 고향에서 지내는 2년 동안 뉴턴은 보다 더 많은 사색과 탐구에 빠지게 되었어요. 그리고 어느 날 문득, 사과나무에서 뚝 떨어지는 사과를 보고 질량을 가진 모든 물체는 서로 잡아당기는 힘, 즉 ‘만유인력’을 가지고 있다는 것을 알아냈다고 해요. 이 발견으로 뉴턴은 17세기 과학의 역사에 크게 남는 인물이 되었어요.

★ 뉴턴, 운동의 법칙을 알아내다
뉴턴은 물체가 운동하는 데에는 몇 가지 법칙이 있다는 것을 밝혀냈어요. 움직이던 물체는 계속 움직이려 하고, 멈춰 있는 물체는 계속 멈춰 있으려는 ‘관성의 법칙’, 물체에 힘을 가하면 그 힘에 비례해 가속도를 갖게 된다는 ‘가속도의 법칙’, 힘을 주는 물체의 힘인 ‘작용’과 힘을 받는 물체가 힘을 준 물체에 작용하는 ‘반작용’의 법칙이 바로 뉴턴이 발견한 운동의 법칙들이에요. 이러한 운동의 법칙들은 우리 생활 곳곳에서 쉽게 찾아볼 수 있어요.

★ 빛의 성질을 이용해 반사 망원경을 발명하다
뉴턴은 프리즘으로 빛을 통과시켜 빛에는 여러 가지 색깔이 섞여 있다는 것을 밝혀냈어요. 그리고 이 색깔들 중 하나를 다시 프리즘에 통과시키면 그 색깔만 나오는 것을 알아냈지요. 이러한 빛에 대한 연구를 바탕으로 반사 망원경을 발명하면서, 뉴턴의 이름은 세상에 널리 알려지게 되었어요.

부록 〈여러 가지 힘〉을 통해 생활 속 다양한 힘과 운동에 대해 더 알아보아요.
우리 생활 곳곳에 숨어 있는 물체의 운동과 다양한 힘에 대해, 친절한 설명과 사진으로 쉽게 알아볼 수 있어요.

고준태(서울과학고등학교 물리 교사)
물리학은 고대 그리스에서 인간과 자연을 이해하기 위한 자연 철학으로부터 시작되었습니다. 제논의 역설이나 아리스토텔레스의 운동학 등은 진실을 찾고자 하는 고대 그리스 철학자들의 노력의 결과물입니다. 오늘날 우리가 이해하는 물체의 운동 이론은 갈릴레이 갈릴레오의 자연 이해로부터 시작되었고, 뉴턴의 운동 이론으로 계승되었습니다.
뉴턴의 운동 이론은 관성, 힘과 가속도, 작용과 반작용이라는 세 가지 법칙에 기반하고 있습니다. 뉴턴은 이러한 운동 법칙으로부터 질량을 가진 물체 사이에 작용하는 힘인 중력을 발견하였고, 이러한 힘을 ‘만유인력’이라고 이름 붙였습니다. ‘만유인력’이라는 명칭은 자연에 존재하는 힘에 대한 지식이 없는 그 당시 상황에서 질량을 가진 물체 사이에 힘이 작용하기 때문에 모든 물체가 가지는 힘이라는 의미로 ‘만유인력’이라는 표현을 사용한 것입니다.
물리학은 많은 학생들이 관심을 가지고 있는 분야이지만, 물체의 운동을 분석하는 뉴턴의 운동학에 대해 배우기 시작하면 학생들은 많은 어려움을 느끼게 됩니다. 운동 법칙의 추상성으로 인해 실생활의 사례들에서 법칙의 미묘한 차이를 알아차리는 것은 충분히 연습한 사람만이 알 수 있는 일이기 때문입니다. 이러한 문제점을 해결하는 방법은 바로 학생들에게 친숙한 일상의 사례를 이용하여 운동 법칙을 설명하는 것입니다.
이 책 《아이작 뉴턴, 운동의 법칙을 밝히다》는 단순히 물리의 개념을 기술하고 몇 가지 사례를 제시하는 것이 아니라, ‘훈동이’라는 우리 주변에서 친근하게 만날 수 있는 아이의 일상을 통해, 아이들이 쉽게 접할 수 있는 사례들에서 물리의 개념들을 뽑아 설명하고 있습니다. 자신과 동일시할 수 있는 주인공의 일상에서 찾아낸 소재는 아이들이 어렵게 여기는 물리 개념에 조금 더 친숙하고 쉽게 다가가는 데 큰 도움을 줍니다.
이 책은 초등학생들을 대상으로 한 책으로, 물리학을 처음 접하는 학생뿐 아니라, 물리학에 관심을 가지고 있지만 쉽게 접근하지 못했던 학생들에게 물리 개념을 쉽게 익힐 수 있도록 도움을 줄 것이라 생각합니다. 뿐만 아니라, 아이들의 눈높이에 맞추어 물리학의 개념을 소개하고 싶은 학부모님께 이 책을 추천합니다.

1장 뉴턴 실험실로 간 야구 소년
홈런왕을 꿈꾸는 8번 타자
엄마의 반격
뉴턴의 실험실에 들어가다
뉴턴의 어린 시절

2장 오늘의 실험실은 운동장
사과는 어디로 떨어질까?
엄마의 잔소리
지구는 물체를 끌어당긴다
중력은 모든 야구공에게 평등하다

3장 뉴턴, 운동의 법칙을 찾다
물체의 움직임에는 법칙이 있다
관성의 법칙
가속도의 법칙
작용과 반작용의 법칙
운동의 법칙, 야구의 법칙

4장 야구장에서 만난 뉴턴
빛은 무슨 색일까?
마지막 수업
나의 첫 3루타

똑똑 공부 여러 가지 힘