물체의 운동 상태를 변화시키려고 하는 외력에 저항하는 성질의 힘을 관성력(inertia force)이라 한다. 액체 상태인 물은 외력과 관성력에 평형하도록 운동한다. 물의 거동을 해석하기 위해서는 외력인 중력, 압력, 물의 밀도, 압축성, 점성 등의 물리적 성질에 관한 이해가 필요하다.
어떤 물질의 단위체적에 대한 질량의 비를 밀도(density)라 하며, 지구 중심에서 물체를 잡아 당기는 가속도를 중력가속도로 한다. 단위중량(unit weigth)은 단위 체적당의 중량으로 밀도와 중력가속도를 곱한 값이다. 질량과 단위중량과의 관계를 좀 더 살펴보기 위하여 먼저 중력가속도에 대해 좀 더 알아 보자. 뉴턴이 발견한 만유인력은 행성의 반경을 R, 질량을 M (행성의 질량), m (물체의 질량), 중력상수를 G(gravitational constant)라 하면 어떤 물체에 작용하는 중력은 GmM/R2 으로 나타낼 수 있다. 행성이 지구처럼 크다면( 반경 약 6,370km) 행성의 표면에서 어느 정도 떨어진 곳이라 할지라도 지구 반지름에 비해 아주 미소한 크기이므로 중력은 행성 표면과 거의 비슷하다고 할 수 있다.
지구에서 질량 m인 물체에 작용하는 중력(W)은 중력가속도를 g(9.8m/s2)라 하면 뉴턴의 제2법칙에 의하여 다음과 같이 표현된다.
W = mg 식 (1.1)
따라서 지구에서 중력에 의한 중력가속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
식 (1.1)에서 알 수 있듯이 중력가속도는 물체의 질량과 관계가 없다. 행성(지구)의 질량과 관계가 있다. 식 (1.1)와 식 (1.2)에서 나타낸 바와 같이 물체의 무게는 만유인력, 즉 중력으로 중력가속도가 지구 중심에서 얼마나 떨어져 있는냐 (장소)에 따라 다르기 때문에 같은 물체라도 무게는 장소에 따라 다르다. 지구는 일반적으로 적도의 반경이 크고 극지방의 반경이 작으므로 같은 물체의 중량은 적도 지역에서 보다는 극지방에서 약간 클 것이다.
물체의 체적을 V, 중량을 W, 중력 가속도를 g, 질량을 m 이라고 하면 밀도 와 단위 중량 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
질량 뜻, 밀도 뜻, 관성 뜻에 대해 알아보겠습니다. 질량, 밀도, 관성은 모두 물리학에서 중요한 개념입니다. 질량은 물체가 가지고 있는 고유한 양입니다. 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 양입니다. 관성은 물체가 운동 상태를 유지하려는 경향입니다. 이 포스팅에서는 질량, 밀도, 관성의 뜻과 특징을 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
1. 질량 (質量)
질량(質量, mass)은 물리학에서 물질이 가지고 있는 고유한 양을 일컫는 말입니다. 질량의 SI 단위는 킬로그램(kg)입니다. 질량의 개념은 고대 그리스의 여러 철학자들의 물질이나 물질관에 대한 토론으로부터 비롯되었습니다.
질량은 다음과 같은 세 가지 주요 특성을 가지고 있습니다.
관성: 물체의 운동 상태 변화에 저항하는 성질입니다. 질량이 큰 물체는 작은 물체에 비해 관성이 크므로 운동 상태 변화가
더 어렵습니다.
중력: 물체가 서로 끌어당기는 힘입니다. 질량이 큰 물체는 작은 물체에 비해 중력이 커서 서로 더 강하게 끌어당깁니다.
에너지: 질량은 에너지의 한 형태입니다. 질량이 큰 물체는 작은 물체에 비해 에너지가 더 많습니다.
질량은 물체의 고유한 양이기 때문에 변화하지 않습니다. 예를 들어, 지구에서 측정한 물체의 질량은 달이나 다른 행성에서 측정해도 동일합니다.
질량은 물리학뿐만 아니라 화학, 생물학, 공학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 화학에서는 물질의 화학 반응을 이해하기 위해 질량을 사용합니다. 생물학에서는 생물의 성장과 발달을 이해하기 위해 질량을 사용합니다. 공학에서는 기계와 구조물의 설계와 제작에 질량을 사용합니다.
질량은 우리 삶과 밀접한 관련이 있는 중요한 개념입니다.
2. 밀도 (密度)
밀도(密度, density)는 물리학에서 단위 부피당 질량을 나타내는 양입니다. 즉, 물질의 고유한 질량을 그 물체가 공간적으로 차지하고 있는 부피로 나눈 값입니다.
밀도는 물질의 고유한 물리적 특성이어서 물질을 확인하는 데 이용될 수 있습니다. 예를 들어, 물의 밀도는 1,000kg/m3으로 일정하기 때문에 물의 존재를 확인하는 데 사용할 수 있습니다.
밀도는 다음과 같은 식으로 나타냅니다.
밀도 = 질량 / 부피
밀도의 SI 단위는 kg/m3입니다.
밀도는 물체의 부피와 질량에 따라 달라집니다. 부피가 일정할 때, 한 물체의 밀도가 클수록 그 물체의 질량은 크다. 한 물체의 평균 밀도는 그 전체 질량을 그 전체 부피로 나눈 것과 같습니다.
일반적으로 고체 상태의 물질은 분자들이 매우 빽빽하게 모여 있는 상태이므로 밀도가 크다. 액체 상태의 물질은 고체 상태에 비해 분자간의 거리가 멀기 때문에 좀 더 큰 부피를 차지하고, 고체보다 작은 밀도를 갖는다. 기체 상태의 물질은 분자간의 거리가 매우 멀기 때문에 부피가 매우 크고, 밀도가 가장 작다.
밀도는 물리학뿐만 아니라 화학, 생물학, 공학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 화학에서는 물질의 화학 반응을 이해하기 위해 밀도를 사용합니다. 생물학에서는 생물의 구조와 기능을 이해하기 위해 밀도를 사용합니다. 공학에서는 기계와 구조물의 설계와 제작에 밀도를 사용합니다.
밀도는 우리 삶과 밀접한 관련이 있는 중요한 개념입니다.
3. 관성 (慣性)
관성(慣性, inertia)은 물체에 작용하는 힘의 총합이 0일 때, 운동의 상태를 유지하려는 경향을 말하며, 운동의 상태가 변할 때 물체의 저항력입니다.
뉴턴의 운동법칙중 제 1법칙인 “관성의 법칙”에서 뉴턴은 관성을 ‘외부 힘이 가해지지 않으면 물체는 일정한 속도로 움직인다’고 정의했습니다. 힘에 의해 속력과 방향이 변하기 전까지 물체는 항상 기존의 운동상태대로 움직이려고 한다는 의미입니다.
관성은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
관성은 질량에 비례합니다. 질량이 큰 물체는 작은 물체에 비해 관성이 크므로 운동 상태변화가 더 어렵습니다.
관성은 운동 상태에 비례합니다. 운동 속도가 빠른 물체는 느린 물체에 비해 관성이 크므로
운동 상태 변화가 더 어렵습니다.
관성은 방향에 무관합니다. 물체의 운동 방향에 관계없이 관성은 동일하게 작용합니다.
관성은 우리 삶과 밀접한 관련이 있습니다. 예를 들어, 자동차가 멈추려고 할 때 엔진을 끄고 핸들을 돌리면 자동차는 계속 직진하려고 합니다. 이는 자동차의 관성 때문입니다. 또한, 공을 차고 나면 공은 계속 움직이려고 합니다. 이는 공의 관성 때문입니다.
관성은 물리학뿐만 아니라 화학, 생물학, 공학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 화학에서는 물질의 화학 반응을 이해하기 위해 관성을 사용합니다. 생물학에서는 생물의 운동을 이해하기 위해 관성을 사용합니다. 공학에서는 기계와 구조물의 설계와 제작에 관성을 사용합니다.
