[Section 1] 관성 기준계(Inertial Reference system)

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[INTRO] 물리역학 미리보기

INTRO

물리역학은 관성 기준계를 기반으로 서술된다. 즉, 모든 물체는 현재의 운동 상태를 유지하려는 성질을 가지고 있다는 뜻이다.  뉴턴의 첫 번째 역학 법칙인 관성 기준계에 대해 명확히 이해해보자.

관성 기준계와 좌표계

가장 먼저, 관성 성질을 수학적으로 기술하기 위해서는 물체의 위치와 시간 정보를 갖는 좌표계가 필요하다. 이 관성 기준계에 대한 하나의 시간과 좌표를 가진 공간적 틀(frame)을 관성 좌표계(inertial frame of reference)라 말한다. 

가상의 관성 기준계

 

이렇게 관성이라는 단어를 좌표계 앞에 언급하는 이유는 그 좌표계의 좌표(물체의 위치)가 관성의 성질을 갖고 있다는 것을 의미하기 때문이다. 이 관성 기준계의 기본적으로 가속을 하지 않는 절대 기준계이다. 

관성 기준계에 대한 고찰

뉴턴의 첫 번째 법칙인 관성 기준계는 단 하나의 절대기준계가 존재하고, 그곳의 기준계는 시간과 공간이 불변한다고 정의했다. 이러한 가정은 후에 마이켈슨 몰리 실험과 아인슈타인의 상대성 이론에 따라 절대 시공에 대한 존재는 사실상 폐기된 이론으로 전락했다. 현대 관성 기준계는 가상의 힘이 발생하지 않는 좌표계 개념으로 수정되었다고 한다. 그리고 이것이 수정된 뉴턴의 첫 번째 운동 법칙이다.

 

상대성이론에 따른 재미있는 사고 실험을 언급해보자면, 달리는 기차 안에서 떨어지는 사과를 본 관측자와 기차 밖의 평지에서 떨어지는 사과를 바라보는 실험이 있다. 기차 안에서 사과는 일직선을 그리지만, 기차 밖의 관측자에 의해서는 포물선을 그리며 떨어지게 된다. 여기에 추가로 덧붙이자면, 빛의 속도에 가깝게 달리는 기차였다면 기차 밖의 관측자는 어떻게 보았을까? 사과는 정지해있을 것이다 (물론 운동방향과 반대방향으로 움직이면서). 이 재미있는 사고 실험에 대한 아인슈타인의 결론은 물체의 상대적 속도에 의해서 시간이 달라진다는 개념이다. 이 이론은 고전적인 물리역학적 사고를 뛰어넘는 개념이지만, 관성 기준계에 대해 고찰을 하게 되는 재미있는 개념이다.

 

또 다른 재미있는 실험은 엘레베이터 사고 실험이다. 떨어지는 엘레베이터 내부에서는 동일한 가속도가 작용하기에 떨어지는 동안은 붕 떠있는 무중력 상태를 경험하게 될 것이다.

 

엘레베이터 사고 실험

 

* 다음 강의는 물체의 운동 법칙입니다.

[Section 1] 물체의 운동 법칙