회전하는 물체의 회전축의 방향을 바꾸면 어떻게 될까? 관성 모멘트 얘기

회전하는 물체는 관성처럼 자세를 유지하려는 성질이 있다. 회전이 강할수록 무거운 물체처럼 관성이 강하다. 물체가 무겁고 회전력이 강할수록 방향/자세를 유지하려는 힘이 강하다. 회전하는 물체의 방향을 틀면 어떻게 될까? 간단하게 자전거 앞 바퀴 생각하면 된다. 앞바퀴의 방향을 바꿀 때 저항력이 어떻게 작용할까? 자전거 탈 때 좌회전을 할 때는 좌로 기울여야 한다는 건 상식이다. 회전하는 물체도 좌회전을 하면 회전축이 좌로 기운다. 왜 이렇게 되는지는 모르겠으나 일단 외우기는 쉽다. 우회전을 하면 바퀴가 우측으로 기운다.

일단 회전 물체의 회전축 방향을 바꾸면 어느 쪽으로 틀어지는지 알았다. 이번엔 자이로스코프와 비슷한 경우를 생각하자. 바퀴 축의 한 쪽을 공중에 고정하여 매달았다고 하자. 그러면 어떻게 될까? 놀랍게 자세를 유지하면서 회전을 한다. 바퀴가 넘어지지 않는다. 중력을 거부하면서 고정된 축을 중심으로 회전을 하는데 어느 방향일까? 앞의 자전거 앞바퀴 회전을 그대로 적용할 수 있다.

왜 이런 현상이 일어나는지 직관적으로 이해하긴 정말 힘들다. 팽이가 넘어지지 않으려고 하는 것과 비슷한 현상 같다. 우리가 의도한 방향과는 정반대로 반응을 한다. 작용 반작용처럼 원하는 방향으로 회전을 주기 힘들다. 자전거 앞 바퀴가 매우 무겁다면 정말 방향 바꾸기 힘들 것이다.

강선 회전을 하는 총알이나 포탄의 경우 회전을 너무 많이 주게 되면 좌우로 편향하는 효과가 있다. 똥꼬에서 봤을 때 우회전(시계 방향 회전)을 하는 총알/포탄의 경우는 우측으로 편향한다. 좌회전(반시계 방향 회전)인 경우는 좌측으로 편향한다. 이것이 혹시 위 현상과 관계 있는지 생각해 보니 그럴 수도 있고 아닐 수도 있겠다. 총알/포탄은 엉덩이 쪽이 무겁다. 즉 중력의 영향을 엉덩이 쪽이 더 받는다. 이 경우 편향이 반대라서 설명이 안 된다. 가벼운 머리 쪽이 중력 방향으로 기울어진다고 하면 말이 된다. 중력의 영향이든 공기 저항의 영향이든 머리와 꼬리는 포물선을 따라 머리가 땅 쪽으로 기울어지게 되는데 그럴 경우 위의 이론이 먹히게 된다.

다른 생각도 해 볼 수 있다. 총포탄의 상하 공기 밀도가 달라서? 마치 물 위를 굴러 가듯이 아래쪽 공기 위를 굴러간다? 총포탄이 금속인데 회전을 하면 전자들의 회전으로 자성이 생기고 지구 자기장과 반응을 해서? 이건 아닌 거 같다. ㅋㅋㅋ 아니면 관성 모멘트 때문에?

※ 작용 반작용 : 외부에서 힘을 주면 그 힘의 반대 방향의 힘이 빛의 속도로 생긴다. 그런데 그 힘의 방향을 가진 부위가 순간 회전을 하여 위치를 바꾸면? 위와 같은 엉뚱한 회전이 나오게 된다. 팽이의 경우를 생각해 보자. 어느 한 쪽은 가볍고 반대편은 무겁다. 무거운 쪽으로 넘어지려는 중력이 작용한다. 이는 회전 축을 뒤틀게 되고 그 때 반대 방향의 반작용이 빛의 속도로 발생하는데 그 순간 회전하여 또 다른 방향으로 넘어지려고 하는 힘이 생긴다. 이 짓을 반복하는 건데... 머리가 꼬인다. 팽이에 적용하니 설명이 안 되네? ㅋㅋㅋ