실의 장력은 그 끝에 매달려 돌아가는 공을 안쪽으로 당기며 이 당기는 힘이 구심가속도의 원인이 된다.
그러나 커브 길을 돌아가는 자동차는 줄에 매달려 있지 않다. 자동차가 구심가속도를 가지려면 다른 어떤 힘이 작용하여야 한다.
페리스 대회전 관람차에 타고 있는 사람도 원운동을 한다. 이러한 상황에서 구심가속도를 가지게 하는 것은 어떤 힘일까?
구심가속도를 가지게 하는 힘을 구심력이라고 부른다. 이 구심력이라는 단어는 이와 관련된 어떤 특별한 힘이 있는 것과 같은 인상을 주기 때문에 오해의 원인이 되기도 한다.

구심력이란??
구심가속도를 가질 수 있도록 물체에 작용하는 하나의 힘 또는 여러 힘의 합력을 의미한다. 이러한 역할을 하는 힘은 많다.
실을 통해 당기거나 다른 물체와 접촉하여 미는 힘, 또는 마찰력, 중력 등이 있다. 각각의 힘 들과 이들에 의한 효과를 이해하기 위해서는 각 상황별로 분석할 필요가 있다.
자동차가 평면 커브 길을 이탈하지 않게 하는 힘은?
커브 길을 돌아나가는 자동차에 구심가속도를 주는 데에는 어떤 힘이 관여하고 있을까? 여기에 대한 답은 커브 길이 기울어져 있는지의 여부에 따라 달라진다. 대답하기 가장 쉬운 경우는 커브 길이 기울어져 있지 않는 경우이므로 이러한 평평한 도로면에 대해 먼저 다루어 보자.
평평한 도로면에서 필요한 구심가속도를 제공할 수 있는 힘은 마찰력뿐이다. 직선을 따라 진행하고자 하는 관성 때문에 자동차가 회전하려면 타이어가 도로면을 밀어야 한다. 도로면은 뉴턴의 제3법칙에 따라 타이어를 반대방향으로 밀게 된다.
타이어에 가해지는 마찰 력은 커브 길의 중심을 향하게 된다. 만약 이 마찰력이 없다면 자동차는 회전할 수 없게 된다.
마찰력의 크기는 마찰에 관계되는 접촉면들 간에 상대운동이 있느냐의 여부에 따라 다르다.
마찰력 방향으로의 상대운동이 없다면 정지마찰력이, 빗물에 젖어 있거나 빙판길에서처럼 서로 미끄러지고 있다면 운동마찰력이 작용한다. 대개 운동마찰력은 정지마찰력의 최댓값보다 작기 때문에 자동차가 미끄러지는가의 여부가 고려해야 할 핵심요소가 된다. 자동차가 미끄러지고 있지 않다면 정지마찰력이 커브 길을 돌아가는 자동차의 구심력이 된다.
타이어 도로면과 접촉하고 있는 부분은 순간적으로 도로면에 대해 정지상태에 있다. 즉 그 부분은 도로면에 대해 미끄러지고 있지 않다. 타이어가 마찰력의 방향으로 움직이고 있지 않다면 정지마찰력이 적용된다.
필요한 정지마찰력의 크기는 얼마나 될까? 이 크기는 자동차의 속력과 도로의 곡률 반지름에 따라 달라진다.
뉴턴의 제2법칙에 따라 필요한 힘의 크기는 F= ma임을 알고 있다. 따라서 이들로부터 마찰력는 구심력을 구성하는 유일한 힘이다. 자동차의 속력은 필요한 구심력의 크기를 파악하는데 결정 적인 요소이며, 종종 우리가 커브 길을 만나게 되면 속도를 줄이는 이유이기도 하다.
만약 질량과 구심가속도의 곱이 최대 정지마찰력보다 커진다면...
문제가 생기게 된다. 구심가속도의 크기가 속도의 제곱 에 비례하기 때문에 속도가 두 배가 되면 마찰력은 네 배가 필요해진다. 반지름이 작은 급커브 길에서는 보다 큰 마찰력이나 느린 속도가 필요하게 된다.
운전자는 속도와 반지름을 모두 고려하여 판단해야 한다.
필요한 마찰력이 최대 정지마찰력보다 커진다면 어떤 일이 일어날까? 마찰력이 필요한 구심력을 제공하지 못하므로 차
는 미끄러지게 된다.
일단 미끄러지게되면 정지마찰력 대신 운동 마찰력이 작용하게 된다. 대개 운동 마찰력은 정지마찰력보다 작기 때문에 마찰력은 더 작아지고 문제는 더욱 악화된다. 끊어진 줄에 매달려 있는 공처럼 자동차는 직선을 따라 운동하려 하는 자연적 경향, 즉 관성을 따르려고 할 것이다.
가능한 마찰력의 최대값은 도로면과 타이어의 상태에 따라 결정된다. 정지마찰력을 감소시키는 요소는 무엇이든지 문제를 일으킬 수 있다. 대개 젖은 길이나 빙판길이 문제를 일으킨다. 빙판 길에서는 마찰력이 거의 0에 가깝게 감소하므로 커브 길에서는 아주 느린 속도로 운전해야 한다. 마찰의 고마움을 느끼는 데에는 빙판길에서 운전하는 것과 견줄 것이 없다. 여기에서는 뉴턴의 제1법칙이 너무나 분명하게 드러난다.
커브 길이 경사져 있으면 어떻게 될까?
커브 길이 적당하게 경사져 있으면 구심가속도를 얻기 위해서 마찰력에 전적으로 의존하지 않아도 된다. 경사진 길에서는 자동차의 타이어와 도로면 사이에 작용하는 수직항력이 도움이 된다. 자동차에 가해지는 전체 수직항력은 네 개의 타이어에 작용하는 각각의 힘들의 합이다.
자동차가 수직방향으로는 가속되지 않으므로 수직방향의 알짜 힘은 "0"이다. 수직항력의 수직 성분은 자동차의 무게와 같은 크기이어야 알짜 수직력이 "0"이 된다. 수직항력의 크기를 결정하는 데는 이 조건이 사용된다. 수직항력의 수평성분은 구심가속도의 방향을 향하고 있다.
경사면의 경사각과 자동차의 무게로 부터 수직항력의 크기가 정해진다. 따라서 수직항력의 수평성분의 크기도 마찬가지
이다. 속도가 적당하면 자동차의 타이어를 미는 이 수평성분만으로도 구심가속도를 맞출 수 있다. 속도가 더 빨라지면 경사가 더 급해야 수직항력의 수평성분이 더 커질 수 있으므로 커브길의 경사각은 더 커지게 된다.
다행인 점은 수직항력이나 원운동을 위한 구심력 모두 자동차의 질량에 비례하므로 자동차들의 질량이 달라도 요구되는 커브 길의 경사각은 모두 동일하다. 경사진 커브 길은 어떤 특정한 속도에 맞추어 설계된 것이다.
대개 그렇듯이 마찰력이 작용 하고 있으므로 적정 속도의 범위에서 커브 길을 안전하게 주행할 수 있다. 만약 도로가 빙판으로 덮여 마찰이 없다면 적정속도로 달려야 안전하게 운행할 수 있다. 적정속도보다 빠르면 평평한 도로면에서와 같이 자동차는 도로면 바깥으로 날아가 버릴 것이다. 그 반대로 적정속도보다 느리게 되면 자동차는 커브 길의 중심으로 경사진 빙판길을 미끄러져 내려오게 될 것이다.
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