뉴턴의 운동법칙

고전 역학에서 아마 가장 기초로 하는 것이

이 뉴턴의 운동법칙일 것입니다.

뉴턴의 3법칙이라고 불리기도 하고,

뉴턴의 3대 법칙이라고 불리기도 하는데

뭐라 부르는 간에 상관은 없습니다.

단지 그 내용이 뭔지 알아두는 게 중요하죠.

그러면 뉴턴의 운동법칙이 뭔지 알아볼까요?

-제 1 법칙: 관성의 법칙->힘을 받지 않는 물체의 운동

힘을 받지 않는 물체는 어떻게 될까요?

그야 가만히 있겠지....라고 대답하시면 안 됩니다.

힘을 받지 않는 상태는 2가지이기 때문입니다.

첫째는 가만히 있을 때 힘을 안 받는 상태로, 이것은 가만히 있는 것이 맞습니다.

둘째는 움직히고 있을 때 힘을 안 받는 상태로, 이것은 등속직선운동을 합니다.

가만히 있을 때는 이해가 가는데 움직일 때는 이해가 안 가실 수도 있어요.

움직이고 있을 때 힘을 안 받으면 멈추지 않나?

하지만 멈춘다는 것은, 운동방향과 반대로 마찰력을 받아서 멈추는 겁니다.

그런데 또 왜 등속직선운동을 하냐고 묻는 분들도 계실 거에요.

뭐, 이렇게 설명하면 될까요.

속력이 변하려면 힘을 받아야 하고, 방향이 변하려 해도 힘을 받아야 합니다.

그러니까 둘 다 안 변하는 등속직선운동을 하는 거죠.

정리하자면 다음과 같습니다.

'힘을 받지 않는 물체는 운동상태를 유지하려고 한다.'

그리고 그 운동상태를 유지하려는 성질을 관성이라고 하는 거죠.

-제 2법칙: 가속도의 법칙->힘이 작용하는 물체의 운동

이거는 간단히 쓰면 F=ma입니다.

F는 Force로 힘, m은 mass로 질량, a는 가속도.

어떤 물체에 힘이 작용할 때 그 물체는 가속도 운동을 합니다.

가장 좋은 예가 떨어지는 공이죠.

떨어지는 공은 중력가속도를 받아서 점점 빠르게 떨어집니다.

계속 속도가 더해지는, '더할 가'자에 속도...(사실 저 한자 못합니다...)이니까요.

그런데 등속원운동에서는 속력은 같은데 힘이 작용을 하여 방향이 변합니다.

그러면 그것은 가속도의 법칙에 위배되지 않느냐...라고 물으시는 분도 있습니다.

하지만 가속도는 벡터값이여서 방향과 속력을 포함하는 개념입니다.

따라서 등속원운동에서는 속력이 말고 방향이 변하니까 가속도 운동이 맞습니다.

구심가속도는 v^2/r이라는 공식도 있잖아요?

벡터와 스칼라의 개념은 다음 링크에 걸려진 글을 참고하세요.

http://miretia.tistory.com/29

뭐, 근데 사실은 힘이 작용하는 물체의 운동이니까 a=F/m이 옳다는 사람도 있어요.

뭐가 뭐든 간에, 잘만 쓰이는 공식이죠.

그래서 뉴턴의 제 2법칙을 정리를 해 보면

'힘이 작용하는 물체는 가속도 운동을 하게 되는데

물체에 작용하는 힘과 가속도, 질량 사이에는 F=ma라는 관계식이 성립한다.'

-제 3법칙: 작용과 반작용의 법칙->힘의 작용 원리

힘의 작용 원리는 항상 쌍으로 발생하고 작용한다는 것입니다.

그래서 물체에 힘이 작용할 때는 반드시 작용과 반작용을 형태로 작용하고

그 작용과 반작용의 힘을 같습니다.

그런데 좀 이상하죠.

작용과 반작용의 힘이 같으면 제가 타자를 치면 자판이 안 들어가야 할텐데 말이죠.

이것은 에너지와 힘의 개념을 헷갈려서 나오는 오류입니다.

에너지는 어떤 힘을 할 수 있는 일이나 능력을 의미하며

일반적으로 같은 힘을 준다고 할 때 질량이 큰 것의 에너지가 큽니다.

즉, 아빠와 제가 같은 힘으로 서로를 밀면 제가 불리하죠.

아빠가 더 무거우니까 에너지가 커서 제가 밀려나가니까요.

그리고 질량이 크면 관성이 커서 같은 힘을 가하면

작은 것과 비교했을 때 에너지가 적게 작용합니다.

제가 같은 힘으로 같은 크기의 나무공을 던지는 것과 투포환을 던지는 것은

당연히 나무공이 멀리 나가잖아요.

저는 과학 교육과정에서 이 작용 반작용은 중학교 1학년에 있고

에너지는 중학교 3학년에 있는 것이 마음에 안 듭니다.

같이 배워야지 이해를 하지, 아니니까 만날 친구들이 과학 어렵다, 모르겠다 그러잖아요.

이 뉴턴의 운동법칙은 간과하기가 쉬워서 복잡한 문제에서 틀릴 수 있습니다.

하지만 우리가 배우는 역학은 이 운동법칙에서 대부분이 시작했다는 것,

잊지 마시고 잘 기억해 두시길 바래요!

아, 잘 기억만 하면 안 되죠.

잘 기억하고 잘 활용하세요!