토끼는 얼마나 잠이 든 걸까? 거북이는 용감한 걸까, 아니면 무모한 걸까? 어느 물리 가족의 꼬리에 꼬리를 무는 물리학 이야기 토끼와 거북이, 해님과 달님, 여우와 신포도 등 익숙한 이야기 속 장면을 물리법칙으로 분석하며 과학적 사고를 펼치는 책이다. 이 책의 대표 저자 박병윤과 그의 가족 구성원 모두는 물리학을 전공한 ‘물리 가족’이다. 일상 자체가 물리학인 이들은 ‘토끼와 거북이’의 경주를 속도와 시간, 생태적 특성의 관점에서 분석하고, ‘해님과 달님’의 썩은 동아줄 장면을 뉴턴 역학으로 재검토하며 과학적으로 그럴듯해 보이는 이야기 속 유명한 장면을 물리법칙을 적용해 따져 본다. 토끼는 얼마나 잠을 자야 거북이에게 경주에서 질까? 호랑이가 잡은 줄이 과연 썩은 동아줄이었을까? 여우는 과연 얼마나 높이 뛸 수 있을까? 이 책에서는 답이 없을 수도 있는 질문을 던진다. 질문한 다음 곧바로 답을 제시하지도 않는다. 답보다 그 답을 찾아가는 과정을 아는 것이 더 중요하다고 생각하기 때문이다. 저자는 질문을 던진 다음 속도와 속력, 중력, 장력, 마찰력, 포물선 운동, 질량 중심 등 여러 물리 이야기를 늘어놓는다. 답을 찾는 데, 그리고 나중에 그 답을 이해하는 데 필요한 여러 기초 지식을 나열하는 것이다. 이 책은 이렇게 해서라도 ‘A는 B다’라고 딱 외울 것만 가르치는 우리나라 과학 교육에서 조금이라도 벗어나 보려고 한다.

첫 번째 이야기 : 토끼와 거북이의 경주 왜 달리기 시합을 하는 것이 토끼와 거북이일까요? 거북이는 용감한 걸까요? 아니면 무모한 걸까요? 토끼는 얼마나 오랫동안 잠이 든 걸까요? 토끼와 거북이가 경주한 거리는 얼마나 될까요? 물리 이야기 : 유동속도 토끼와 거북이 경주 이야기의 물리학적 교훈 두 번째 이야기 : 해님과 달님 호랑이가 잡은 줄이 과연 썩은 동아줄이었을까요? 호랑이가 왜 높은 곳에서 떨어졌을까요? 호랑이가 손에 기름도 발랐었지요? 동아줄은 왜 튼튼한가요? ‘해님과 달님’이야기가 ‘빨간 모자’나 ‘아기 염소와 늑대’이야기와 얼마나 비슷할까요? 해님과 달님 이야기의 물리학적 교훈 세 번째 이야기 : 여우와 신포도 왜 여우와 포도일까요? 여우는 얼마나 높이 뛸 수 있을까요? 물리 공부 : 포물선 운동! 물리 공부 : 벡터(vector) 물리량 물리 공부 : 질량 중심(center of mass) 여우는 과연 얼마나 높이 뛸 수 있을까요? 여우와 신포도 이야기의 물리학적 교훈

토끼는 한 방향으로 오래 달리지 않습니다. 포식자들을 피하는 데는 빨리 달리는 것 못지않게 자주 방향을 바꾸는 것도 유리하니까요. 반면에 거북이는 딱딱한 등껍질 덕분에 야생에서 어느 정도는 보호를 받습니다. 거북이 자체가 파충류로서 포식자이기도 하지요. 그러니 단순하게 토끼와 거북이의 속력만 비교해서 누가 이길지를 예측하면 안 됩니다. (...)
금속과 같은 도체 안에서 전자(電子, electron)가 꼭 토끼처럼 움직입니다. 도체 안에서 전자는 상상할 수 없을 정도로 빠르게 움직입니다. 상온의 도체 안에서, 전자의 속력은 거의 백만 m/s 정도니까요. 금속결합을 할 때 원자에서 떨어져 나온 전자를 자유전자라고 부르기는 하지만, 금속 안에서 전자는 완벽하게 자유롭지는 않습니다. 전자가 양이온과 충돌하기 때문이지요. 충돌할 때마다 방향이 바뀝니다. 마치 토끼가 포식자를 만날 때마다 운동 방향이 바뀌는 것과 같지요. 도체 안에 전기장이 형성되어 있지 않다면, 전자가 매우 빠른 속력으로 움직이는데도 불구하고 충분히 긴 시간 동안 평균을 내면 전자는 거의 제자리에 있는 것과 같습니다.
본문 67~68쪽(첫 번째 이야기: 토끼와 거북이의 경주)

왜 토끼의 유동속도에 대해 고려해야 하는지 이해하게 되었나요? 그림 1-15 (나)에 보인 전자의 운동이 바로 사나운 동물에 쫓기면서 경주하고 있는 토끼의 운동에 해당합니다. 토끼는 쫓기면서도 결승 지점을 향해 가려 하지만 사나운 동물을 만날 때마다 살기 위해 엉뚱한 방향으로 도망쳐야 하지요. 그러니까 토끼와 거북이의 경주에서 중요한 것은 토끼가 평소에 달릴 수 있는 속력 50km/h가 아니라 결승 지점을 향해 가는 유동속도였던 것입니다. 사나운 동물을 피할 필요 없이 일직선으로 결승점을 향해 기어가는 거북이의 속력 0.5km/h보다 토끼의 유동속도가 느리면 토끼가 오히려 경주에 집니다. 거북이가 결코 무모한 것은 아니었습니다.
본문 77~78쪽(첫 번째 이야기: 토끼와 거북이의 경주)

호랑이가 동아줄에 의해 매달려 끌려 올려지거나 아니면 동아줄을 타고 올라가는 상황은 그림 2-6 같이 질량 m인 물체가 줄에매달려 움직이는 상황으로 단순화하여 분석할 수 있습니다. 엄밀하고 자세하게 운동을 분석하자면, 호랑이의 두 팔(다리)이 동아줄을 잡고 있고, 팔에 몸통이 연결되어 있으며, 몸통에 머리와 다리, 꼬리가 붙어 있고, 각각은 제각각의 질량을 가지고 있으며, 꼬리는 계속 위아래로 움직이고 있습니다. 하지만 우리는 호랑이의 이런 복잡한 형태와 움직임들을 무시하고, 질량 m인 물체로 단순하게 생각하여 운동의 문제를 풀어 보겠습니다. 이처럼, 우리가 알고자 하는 상황을 이해하는 데에 중요하지 않은 것들을 무시하고 단순화한 것을 물리적 모형(physical model)이라고 합니다.
본문 119~120쪽(두 번째 이야기: 해님과 달님)

정지마찰력의 최댓값은 수직항력이 클수록, 정지마찰계수가 클수록 큰 값을 가집니다. 그러니까 줄을 꽉 쥘수록 그리고 줄과 손이 미끄럽지 않을수록 줄을 단단히 붙잡고 있을 수 있지요. 참기름을 바른 바람에 호랑이의 손과 동아줄 사이의 정지마찰계수는 아주 작아진 상태였습니다. 그렇지만 처음에는 줄을 아주 강하게 쥐어서 수직항력이 컸기 때문에, 호랑이가 줄에서 미끄러지지 않고 올라갈 수 있었지요. 그러다가 점점 줄을 쥐는 힘, 수직항력이 약해지자 (...) 손이 그만 줄에서 미끄러지고 만 것입니다. 이것이 호랑이 추락사고의 전말(顚末)일 수도 있겠네요.
본문 162~163쪽(두 번째 이야기: 해님과 달님)

여우의 운동을 알아보려면 제일 먼저 해야 하는 일이 여우의 위치를 나타낼 수 있는 변수를 도입하는 것입니다. 일직선 운동으로 보자고 했으니 ‘해님과 달님’ 이야기에서 설명한 것처럼 어떤 기준점으로부터 물체까지의 거리를 위치 변수로 잡으면 됩니다. 기준점은 그 일직선의 어느 한 점, 예를 들어 일직선이 땅과 만나는 점 또는 여우가 운동을 막 시작한 지점으로 정하면 되는데 그다음이 문제입니다. 여우가 크기를 가지고 있다는 것입니다. 여우를 수학적인 점으로 취급할 수 없으니 기준점으로부터 여우가 얼마나 떨어져 있는지를 말할 수 없습니다. 예를 들어, 여우의 코, 발, 꼬리는 각각 다른 위치에 있습니다. 코, 발, 꼬리조차 크기가 있으니 점으로 볼 수 없지만요
본문 206(세 번째 이야기: 여우와 신포도)