[Section 1] 물체의 운동 법칙

물리역학 목차보기

[INTRO] 물리역학 미리보기

INTRO

관성 기준계는 그 자체로 뉴턴의 첫 번째 운동 법칙을 의미한다. 즉, 시간과 공간은 상대적일 가능성이 높기 때문에 우리는 절대적인 기준계가 아니라 새로이 생기는 힘이 없는 좌표계를 갖는 것으로 운동을 기술해야 한다는 것이다. 

관성(inertia)의 기준은 질량(mass)

관성이라는 단어 그 자체가 바로 없던 힘이 갑자기 생기지 않는다는 것을 함축적으로 표현하는 개념이다. 즉, 물체의 운동은 원래의 운동 성질을 가지고 있어야 한다는 말과 일맥상통한다.

 

" 그렇다면, 우리는 왜 운동장에서 내가 차 버린 축구공이 언젠가는 멈출 것이라고 생각하는가? "

 

그것은 뉴턴의 두 번째, 그리고 세 번째 운동법칙과 밀접한 관련이 있는 생각이다. 이 질문에 대한 답을 이해하기 위해서 '질량' 개념에 대해 먼저 이해를 하도록 하자. 질량은 어떻게 측정하는가? 우리가 물체의 질량을 측정하기 위해서는 다양한 방법이 존재하지만, 가장 기본적인 방법은 같은 힘으로 물체를 던져보는 것이다. 그러면 또 질문이 튀어나온다. 힘은 어떻게 재는가?

뉴턴의 두 번째 운동법칙(Newton's Second Law)

뉴턴의 두 번째 운동법칙은 힘에 관한 법칙이다. 힘은 다음의 공식으로 정의한다. 

 

뉴턴의 두번째 운동 법칙 _ 힘 공식

 

질량의 단위는 kg이다. 원래는 국제 킬로그램원기라는 1kg을 정의하는 물체가 존재했지만, 금속 조차도 시간이 지남에 따라 질량이 변화한다는 점에서 2018년 국제 도량형 총회에서 플랑크 상수를 이용하여 질량을 정의하게 되었다. 

 

* 우리는 역사적인 시대에 살고 있다.

벌써 답이 나온 것 같지만, 이 답은 잠시 접어도 기로 하자. 우리는 고전적으로 이해해야 하는 숙명?을 가지고 있다.

 

위에서 가속도(a)는 속도 (m/s)를 시간에 대하여 미분한 값이다. 

 

결론적으로 힘은 질량의 속도가 얼마나 빠르게 변화하는지에 따라 정의한다. 그래서 힘을 물체에 작용하면 물체가 힘을 가한 방향으로 빠르게 이동하는 것이다. 그러면 힘을 가한 물체가 다른 물체에 부딪히면 어떤 결과가 도출되는가? 이에 대한 답은 세 번째 운동 법칙과 밀접한 관련이 있다.

뉴턴의 세 번째 운동법칙(Newton's Third Law)

뉴턴의 세 번째 법칙은 작용 반작용의 법칙이라고 불린다. 힘의 전달이라은 의미를 갖는 이 법칙은 어떤 물체에 힘을 작용하면 작용점과 반대방향으로 동일한 힘이 반작용한다는 법칙이다. 즉, 우리가 발로 찬 축구공이 날아가는 이유는 발등에 의한 힘이 축구공에 전달되고, 동일한 힘이 발등 표면을 기준으로 반대 방향으로 발등에도 작용하게 되는 것이다. 이를 그림과 공식으로 표현하면 다음과 같다.

 

작용과 반작용의 법칙

날아간 축구공이 멈추는 이유

뉴턴의 두 번째 법칙과 세 번째 법칙을 결합하여 날아간 축구공이 왜 멈추는지 우리는 알 수 있다. 전달된 힘에 의해 운동을 하는 축구공은 공기와의 마찰, 지면에 닿고나서부터 계속해서 운동방향과 반대 방향으로 작용하는 마찰력은 축구공의 운동을 방해한다. 그래서 우리가 인지하는 현실이라는 공간에서는 관성 개념을 직관적으로 이해하기 힘든 측면이 있다. 

 

* 질량을 측정하는 고전적인 방법에 대해서는 다음 강의에서 다루기로 하자.

 

 

* 다음 강의는 고전적으로 질량을 측정하는 방법입니다.

[Section 1] 고전적으로 질량을 측정하는 방법