[과학] 모멘텀! 너 도대체 뭐니?

안녕하세요 @smartcucum 입니다!!
독자 여러분들 모두 설 연휴 잘 보내셨어요??

저는 오랜만에 부모님과 함께 여행을 해서 즐거운 명절들 보냈습니다. 아직 대학생이기 때문에 부모님께서 맛있는 음식을 너무 많이 사주셔서 엄청 많이 먹고왔습니다.

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오늘은 모멘텀에 대해서 알아보고자 합니다.

이번 포스팅의 목적은 다음과 같습니다.

1. 왜 운동량을 모멘텀으로 배우면 쉬운가?
2. 도대체 모멘텀(운동량)이 무엇인가?
3. 뉴턴 법칙과 어떤 관계가 있는가?

모멘텀은 뉴턴 법칙을 이해하기 위한 가장 기본적인 개념입니다. 따라서 kr-science의 글들을 이해하기 위해서는 모멘텀과 뉴턴 법칙을 반드시 알아야해요. 제 글이 다양한 전문적인 글들을 읽기 위한 독자분들의 과학적 지식의 초석이 되길 바랍니다.

모멘텀에 대해서 재미있고! 쉽게! 그 의미를 잡아가실 수 있게 준비했어요.
읽으신 모든 분들이 주변의 자연 현상들을 이해하는데 큰 도움이 되셨으면 합니다.
그럼 출발!!!

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모멘텀에 대한 우리나라 백과사전의 정의부터 알아볼까요?
두산백과에 따르면

물체가 한 방향으로 지속적으로 변동하려는 경향

으아~ 너무 과학스럽고 변동! 경향! 익숙하지 않은 단어들!
몇 가지 자료들을 관찰하면서 영어권 사람들이 도대체 무엇을 모멘텀이라 하는지 감을 잡아보아요:)
메리엄-웹스터에서 조사한 모멘텀 활용 빈도입니다.

빈도수는 상위 10%로 자주 쓰이는 단어네요!

그 예시도 한번 봅시다.

영어권 사람들의 “Momentum” 사용 예시

The company has had a successful year and hopes to maintain its momentum by introducing new products.
그 회사는 성공적인 한 해를 보냈으며 이러한 모멘텀을 유지하기를 원한다.

The movie loses momentum toward the end.
결말에 이르러 영화는 모멘텀을 잃었다.

출처 : 메리엄-웹스터

영어권 국가에서는 모멘텀은 결코 물리학만을 기술하기 위한 단어가 아니네요?
링크 들어가보시면 예제에 비지니스 ,영화비평, 보고서등 다양하게 모멘텀이란 단어가 등장합니다.
이번엔 구글링을 한번 해보겠습니다.

구글에서의 모멘텀

momentum이라고 구글에서 검색을 했습니다.
검색 결과의 개수가 얼마나 높은지 가늠을 할 수 없기에 다양한 단어들과 비교를 해보았습니다.

	Momentum	Cryptocurrency	Newton	Economics
검색결과	120,000,000	51,800,000	212,000,000	115,000,000

모멘텀의 검색 결과 수가 경제학을 의미하는 Economics와 거의 비슷합니다.
암호화폐(cryptocurrency)의 검색결과는 51,800,000로 모멘텀 결과 값의 절반이네요.
Newton은 힘을 나타내는 단위 그리고 아이작 뉴턴 경의 검색결과를 모두 포함한 결과가 212,000,000개입니다.
기본적인 단위계와 과학사에서 가장 유명한 뉴튼의 검색결과를 합친 값이 모멘텀의 결과값의 2배가 채 되지 않습니다.

영어권 사람들에게는 모멘텀이란 단어는 단순히 물리적 현상에만 쓰이는 것이 아닌것 같습니다.
링크를 보시면 아시겠지만 분야는 다양하지만
모멘텀이란 단어가 가지고 있는 변하지 않는 속성이 존재합니다.
요즘에는 이 모멘텀을 모멘텀 그 자체로기사를 쓰시는 한국 기자분들이 있더라구요.

차트분석에서의 모멘텀

주식이나 코인에 투자하시는 분들께서는 정말 자주 접하신 단어입니다.
보조지표의 모멘텀은 굉장히 많이 들어보셨으리라 생각해요.
백과사전 정의에 따르면

주가를 움직일 수 있는 자극 예를 들면 증자발표나 신사업 진출, 액면분할, 정부의 정책발표 등을 말한다. 주가가 상승하더라도 이 수치가 부족하면 향후 상승추세가 꺾여 하락할 가능성이 크고, 반대로 주가가 하락하더라도 이 수치가 높으면 주가는 상승할 가능성이 크다. 따라서 주가의 변동을 알아내는 기준이 되며, 특히 단기투자에서 유용하게 사용된다.

자세한 설명은 하지 않겠습니다. :)
아마 추가적인 설명을 드리지않아도
차트를 공부하신 분이라면 모멘텀의 느낌을 잘 잡으셨으리라 생각해요.

영화에서의 모멘텀

영상 하나 보실까요?
디멘토에게 당한 해리 포러가 자유 낙하하는 모습입니다.

9분 30초부터 보시면 되요. 마지막에서 덤블도어 : 아레스토 모멘텀(Arresto momentum)!!!
Arrest는 대상의 자유를 빼앗는 동사에요!! 그러면 덤블도어의 주문이 어떤 느낌인지 오시나요?
덤블도어가 주문을 외운 단어가 물리학에서의 모멘텀과 의미가 비슷합니다.
J.K 롤링 아주머니가 모멘텀이라는 물리학을 공부해서 저런 마법 주문을 만들었을까요?
저는 그렇게 생각하지 않아욥...

이제 모멘텀이 내포하고 있는 의미를 잡으셨으셨나요?
뭔가 동적인 느낌. 움직이는 물체가 가지고 있는 어떤 특성.
한국어로 표현하면 추세! 추진! 여세! 타성!! 이란 느낌이 오시면 됩니다.
요요요!! 느낌이 굉장히 중요합니다.

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물리학에서의 모멘텀

그렇다면 물리학에서는 모멘텀은 어떤 개념일까요?
물리학에서 모멘텀이란

질량을 가진 물체가 속도를 가지고 운동하는 방향과 크기를 나타냅니다!!

위에서 언급한 모멘텀의 문맥적 의미들과 큰 차이가 없죠?
만약 물체의 속도가 빠르면 빠를수록 물체의 모멘텀은 어떨까요?
속도가 커지면 모멘텀은 당연히 커질 수 밖에 없죠.
그 여세가 몰릴테니까요!

만약 물체의 질량이 크다면 어떨까요?
총알과 총알의 속도로 날아가는 바위
느낌 자체가 다릅니다.
질량이 크다면 물체의 모멘텀이 당연히 큽니다.
더욱 더 추세가 증가하죠!

따라서 다음과 같은 비례 관계를 알 수 있습니다.

이것이 수학적으로 물리학에서의 모멘텀을 표현하는 방식입니다.

뉴튼 제 2법칙과 모멘텀

이 모멘텀이라는 것은 그 자체로도 의미가 있지만 고전역학에서의 공리, 바로 뉴턴 제2법칙과 아주 밀접한 관련이 있습니다.
(@beoped 님께서 공리에 대해서 잘 말씀해주셨어요. 따라서 링크를 첨부합니다.)
뉴턴 제 2법칙은 대학교 과정에서는 다음과 같은 식으로 배우게 됩니다.

위의 수식(안읽으셔도 되요!!)을 우리나라 말로 표현하면

알짜힘(힘들의 합)이 가해지면 시간에 따라서 모멘텀의 값이 변합니다.
시간에 따라서 물체의 추세에 변화를 주는 것,(추세를 약화시키던 강화시키던 말이죠.)
그것이 물리학에서의 알짜힘(혹은 힘)입니다.
힘과 모멘텀의 관계, 이것에 뉴턴 제 2법칙입니다. 벌써 다 이해하신거에요!
물론 이것을 활용하기엔 엄청난 시간이 걸리지만요. :)

예시

해리포터가 처음부터 빨리 낙하했나요? 처음부터 속도가 높았을까요? 그렇지 않습니다.
분명 떨어지는 순간의 속도는 0입니다. 따라서 모멘텀도 0이였죠.
하지만 낙하면서 해리 포터의 모멘텀은 0에서 0이 아닌 값으로 크기가 증가했습니다.
심지어 시간이 지나면 더 빨리 떨어집니다.
시간에 따라서 모멘텀의 변화가 있네요.

뉴턴 제 2법칙에 따르면 해리 포터에게 알짜힘 존재했다는 것인데 도대체 어떤 힘이 모멘텀의 변화를 일으켜 속도를 증가시켰을까요?
이 힘이 그 유명한 만유 인력입니다.
이것이 뉴턴 제 2법칙인 가속도 법칙과 대표적인 예시인 만유인력이며 공과대학에서 배우는 가장 기본적인 개념입니다.

마무리

움직이려는 자동차를 상상해 봅시다. 이 자동차의 속력이 빨라집니다. 모멘텀이 변화하네요?
그렇다면 외력이 작용했다는 뜻이네요? 그 근원이 무엇일까요? 바로 엔진입니다.
엔진이 차 안의 축을 돌리고 이 축이 바퀴를 굴리고 바퀴가 땅을 밀어서 앞으로 전진합니다.
이 모든 것이 뉴턴의 운동 법칙 내에서 톱니바퀴처럼 챡챡챡! 연동됩니다.
아름답지 않나요?

이렇듯 주변에 힘과 모멘텀의 관계를 살펴볼 수 있는 자연 현상은 굉장히 많습니다.

정리

모멘텀이란 물체의 여세, 추진, 추세를 의미.
물리학에서 이러한 개념을 정량화하기 위해 물체의 물리적 특징들로 표현합니다.
그것이 질량이며 속도입니다.
따라서 모멘텀은 질량과 속도의 곱으로 나타내어집니다.


시간이 흐를 때마다 물체의 모멘텀을 변화시키는 것, 그것이 바로 물리학에서 말하는 알짜힘.
모멘텀의 변화를 만들어내는 모든 것을 알짜힘이 존재한다라고 말합니다.

어찌보면 당연한 것을 장황하게 말씀드렸는데...
툭 까놓고 말해서
" 야! 밀면 당연히 속도 변하지!" 이 말인데 말이죠.
하지만 2 x 3 = 6 을 외운사람과
곱하기는 더하기를 쉽게 표현하기 위한 수학적인 방식이야.
그니까 2 + 2 + 2 = 2 x 3 = 6 이지.
라고 말하는 사람과는 본질적으로 매우 큰 차이가 있다고 생각해요.

시간에 따른 모멘텀의 변화가 곧 알짜힘의 존재라는 것을 아신다는 것은
정말 비전공자임을 감안하시면 높은 경지에 이르셨다.
이렇게 말씀을 드릴 수가 있습니다. 정말이에요. :)

긴 글 읽어 주신 분들께 감사의 말씀 전하면서 전 이만 물러가도록 하겠습니다! (총총총)
다음 글은 소리에 대해서 포스팅을 하겠습니다.