제2권: 역학 — 운동의 세계

Chapter 2: 에너지와 운동량

1. 에너지

1-4. 보존력과 비보존력

🎯 이 절의 핵심 질문

"왜 중력은 에너지를 '저장'할 수 있는데, 마찰력은 에너지를 '낭비'하기만 할까?"

되돌릴 수 있는 힘, 되돌릴 수 없는 힘

여기 두 가지 상황이 있다. 둘 다 물체가 A에서 출발하여 이런저런 경로를 거쳐 다시 A로 돌아온다.

상황 1: 공을 위로 던졌다가 받는다

공을 위로 던진다. 올라가면서 느려지고, 꼭대기에서 멈추었다가, 다시 내려온다. 출발점으로 돌아왔을 때 — 놀랍게도 — 공의 속력은 처음과 정확히 같다 (공기 저항을 무시하면). 마치 아무 일도 없었던 것처럼! 올라가면서 잃었던 운동 에너지가, 내려오면서 전부 되돌아온 것이다.

상황 2: 상자를 밀어 보냈다가 끌고 돌아온다

마찰이 있는 바닥 위에서 상자를 밀어서 3 m 보낸다. 그리고 다시 끌어서 원래 자리로 돌아온다. 상자는 처음과 같은 위치에 있다. 하지만 바닥이 따뜻해져 있다. 가는 길에도 마찰이 열을 만들었고, 오는 길에도 마찰이 열을 만들었다. 에너지가 돌아오지 않았다. 출발점으로 돌아왔는데도 뭔가가 돌이킬 수 없이 바뀌었다.

이 차이가 바로 보존력과 비보존력의 핵심이다.

어떤 힘은 에너지를 "빌려갔다가 돌려준다." 중력이 그렇다. 올라가면서 운동 에너지를 빼앗아 퍼텐셜 에너지로 저장해두었다가, 내려올 때 정확히 같은 양을 돌려준다. 모든 것이 원래대로 돌아온다.

어떤 힘은 에너지를 "한 번 가져가면 돌려주지 않는다." 마찰이 그렇다. 에너지를 열로 바꾸어버리면, 그 열은 자연스럽게 다시 운동 에너지로 되돌아오지 않는다.

이 절에서는 이 두 부류의 힘을 정확히 구분하고, 그 구분이 에너지 보존법칙의 활용에 어떤 영향을 주는지 살펴볼 것이다.