뉴톤의 운동법칙 : 힘과 운동

▣ 뉴톤은 만물의 운동원리의 기본을 관성이라고 보았다. 이것이 뉴턴의 제1법칙이다.

  ⊙ 관성 (Inercia, 慣性)

       관성은 어떤 물체가 "원래 상태"를 유지하려는 성질이다. 즉, 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려고 하고 등속 직선

       운동을 하는 물체는 계속하여 등속직선운동을 하려고 하는 성질을 말한다.

        그런데 뉴턴은 이러한 관성을 변화시키려고 하는 요인을 힘 (Force)라고 하였다.

        힘은 물체가 원래 상태로 있으려고 하는 관성을 변화시키는 요인이 된다.

   ⊙ 과학에 측정의 개념을 들여 온 사람이 갈릴레오 갈릴레이이다. 갈리레이 이후 부터 과학은 측정을 하여 이론이나

        정리, 개념 들을 증명하기 시작했다.

   ⊙ "관성"도 측정하기 위해서는 "양(量)"으로 나타내야 하는데 관성을 측정할 수 있는 양으로 나타낸 것이 '질량

         (Mass)'이다. 질량은 어떤 물체의 관성의 크기(양)를 나타내는 말이다. 질량은 측정할 수 있는 양이므로 반드시

         단위로 나타내는데 질량의 단위는 [㎏]이다. 또한 관성을 변화시키려는 요인인 힘의 단위는 뉴톤 [N]이다.

         그러면 힘이 관성을 변화시킨 '변화의 양'도 측정 가능한 양으로 나타내야 하는데 이를 가속도라고 한다.

         가속도는 기호로 a로 쓰고 단위는 [m/s2]을 쓴다. 가속도 a는 물체가 가지고 있는 관성(원래 상태 유지 본능)이

         얼마만큼 변화하였는지를 나타내는 말이다.

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  ▣ 위에서 말한 관성을 변화시킨 양인 가속도(a)와 변화시킨 힘 (F), 그리고 관성의 크기인 질량(m)과의 관계를 수식으로

       나타낸 것이 뉴톤의 제2 운동법칙이다.

   ※ 위 식에서 힘(F)은 물질에 작용하는 모든 힘의 합력, 알짜 힘을 말한다.

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  위 식은 관성의 변화량인 가속도는 관성을 변화시키려는 요인인 힘에 비례하고 관성을 유지하려고 하는 속성인 질량에

   반비례한다는 것을 보여 준다.

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 ▣ 모든 물질은 원래 상태를 유지하려고 하는 관성을 가지고 있는데 외부에서 가해지는 힘에 의해서 관성이 변화하게 되는

      데 관성이 변화하는 양상은 크게 3가지로 나타난다.

   ① 운동하는 방향과 작용하는 힘의 방향이 같으면 속력이 증가한다.

   ② 운동방향과 작용하는 힘이 반대반향이면 속력이 감소한다. 마찰력이나 저항력이 발생할 때의 상황이다.

   ③ 운동방향과 작용하는 힘이 수직이면 운동방향이 변하게 된다. 대표적인 예가 원운동, 회전운동을 들 수 있다.

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 ▣ 뉴턴의 제3운동 법칙은 물질이 원래 상태를 유지하려고 하는 관성을 변화시키려고 하는 힘 (Force)을 정의한 것이다.          우리가 작용 · 반작용의 법칙이라고 부르는 법칙이다.

  ⊙ 뉴턴은 힘(Force)을 다음과 같이 정의한다.

     ① 힘은 항상 가해지는 물체와 받는 물체간의 상호작용이다.

     ② 힘은 짝으로 존재한다.

  결과적으로 힘은 짝으로 존재하기 때문에 A가 B를 밀면 B도 A를 반드시 밀게 된다.

  따라서 A를 작용이라고 하면 B는 반작용이라고 한다. 반대로 A가 B를 당기면 B도 A를 당기게 된다.

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[힘의 종류]

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뉴톤(Newton)이 말하는 관성을 변화시키려고 하는 요인인 힘(Force)의 종류에 대하여 알아 보자.

  ① 중력이 있다. 중력은 무게라고도 하는데 뉴턴의 힘은 미는 힘과 당기는 힘, 이 두가지 힘으로 표현된다. 뉴턴의 표현

       대로 중력을 말하면 중력은 지구가 물체를 당기는 힘이라고 할 수 있다. 그런데 이러한 작용하는 힘이 있다면 그 짝인

       반작용도 있어야 한다. 물체가 지구를 당기는 힘이 중력의 반작용이라 할 수 있다.

  ② 천장에 줄로 매달려 있는 물체가 있다고 가정해 보자.

 

  매달려 있는 물체가 정지해 있다고 가정을 하면 정지 상태라는 것은 관성을 변화시키려는 성질인 가속도가 "0"인 상태이

   다.  정지해 있는 경우 가속도 a = 0, ∑ F = 0 이다.

   즉, 알짜힘이 "0"인 상태인 경우이다. 가속도가 "0"인 상태는 정지상태인 경우와 등속 직선운동을 하는 상태 2가지가

   있다.

 ③ 어떤 평면 위에 물체가 놓여 있는 상태를 가정해 보자.

 

     정지해 있다는 것은 가속도가 a = 0이고 알짜힘이 "0"인 상태이다. 그런데 물체는 지구가 mg의 힘으로 당기고 있는데

     정지해 있다는 것은 지구가 당기는 힘에 상응하는 힘이 반대로 작용하고 있다는 것이다. 즉, 바닥이 무체를 미는 (받치

     는) 힘이 작용하고 있는 것이다.

      이에 대한 반작용은 물체가 바닥을 누르는 (미는) 힘이다.

   ※ 물체가 바닥을 누르는 힘은 마찰력과 관련이 있다.

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