고전역학 - 뉴턴역학 PART - 1 [F = ma 힘의 법칙]

거시세계 물체 운동의 서술을 쓴 것이 바로 고전역학입니다.

 

고전역학은 사실상 뉴턴이 정립한 것과 같아 뉴턴역학이라고도 합니다.

 

뉴턴이 정립한 이 3가지 운동 법칙에 대해 알아보겠습니다.

뉴턴은 자기가 연구한 업적을 세상에 드러내지 않는걸로 유명했죠.

 

오늘은 고전역학 또는 뉴턴역학에서 가장 기본적 토대 역할을 하는 힘의 법칙 3가지를 알아보겠습니다.

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관성이란 무엇인가?에 대한 지식은 아래 글을 참고해보라.

 

고전역학 - 상대성 원리 [갈릴레오 갈릴레이]

 

고전역학 - 중력의 신비 [ 관성질량 = 중력질량인 이유 ]

 

제 1법칙 '관성의 법칙'

물체는 외부 힘이 작용하지 않는 한 일정한 속도로 움직인다.

모든 물체는 운동한다.

 

1. 힘을 받는 운동은 등속도 운동을 한다.

2. 힘을 받지 않는 운동은 가속도 운동을 한다.

 

어떤 예가 있을까? 바로 독자의 주변 '모든 것'이 예다.

볼링공을 예로 들면, 위에서 초기 힘을 한 순간만 주고 내버려두면 같은 속도로 같은 방향을 향해 움직인다.

 

제 2법칙 '가속도의 법칙'

물체의 운동은 그 물체에 작용하는 힘과 같다.

 

$$ F=ma $$

 

• F : 힘
• m : 질량
• a : 가속도

가속도 a는 속도에 비례하고 시간에 반 비례한다. 식은 다음과 같다.

$$ a=v/t $$

 

간단한 문제를 풀어보자.

 

강물 위 2톤 중량의 배가 오른쪽으로 움직인다.

 

이 배는 1 초에 2 m 씩 움직이고 있다. 등속도 운동 중이다.

그러나 어느 순간 배의 엔진이 가동되어 1 초에 속도가 2 m/s씩 빨라진다.

 

이 배에는 얼마의 힘이 작용되고 있는가? 아래 접은 글이 답이다.

F = 4000 N

 

즉 힘은 질량과 가속도 곱에 비례함을 알 수 있다.

 

 

힘은 국제 단위인 SI 단위에 따라 N(뉴턴)의 단위를 사용한다.

1 N은 다음과 같다.

 

$$ 1\ N\ =\ 1\ kg\ \cdot \ m/s^2 $$

 

간단한 문제를 풀어보자.

지구에서 1 kg는 몇 N일까?

 

지구 중력은 다음과 같다.

$$ g=9.807\ m/s^2 $$

 

답은 아래

지구에서 1 kg의 힘은 9.807 N이다.

 

제 3법칙 '작용 반작용의 법칙'

물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B는 물체 A에 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 동시에 가한다.

자신의 뺨을 때려보자. 아픈가? 아프다.

 

뺨 때린 손도 아프다.

 

이 처럼 물체에 힘을 주게 되면 같은 힘이 자신에게도 작용하게 된다.

 

벽을 밀어보자. 무엇인가 벽이 자신을 밀어내는 듯한 느낌을 받는다.

작용 반작용 법칙을 이용하면 아래와 같은 일도 가능하다.

 

무게 차이가 많이 날 수록 전달 되는 운동량이 달라진다.

 

1000 kg 사람에게 10 kg 사람이 부딪히게 되면 바로 튕겨져 나오게 된다.