뉴턴의 법칙.
◎제 1법칙 - 관성의 법칙
타성(惰性)이라고도 한다. 물체가 운동상태의 변화에 대해 저항하는 성질을 말한다. 관성의 개념을 처음으로 생각한 사람은 갈릴레이였으나, 그 개념은 뉴턴에 의해서 완성되어, 운동 제1법칙으로 정리되었다. 뉴턴 시대 이전에는 물체가 정지상태로 되는 것이 자연스러운 현상이라는 생각이 지배적이었다. 갈릴레오는 움직이는 물체는 마찰력 때문에 결국은 정지하게 된다는 사실을 밝혀냈다. 뉴턴은 운동에 관한 갈릴레오의 생각을 토대로 하였다. 뉴턴은 제1법칙에서 물체가 운동상태를 유지하는 데는 힘이 필요하지 않음을 분명히 밝히고 있다. 그러나 물체가 운동상태의 변화에 저항하는 경향은 질량에 따라서 달라진다. 관성은 질량에만 의존하는 양이다. 물체가 질량을 많이 가질수록 운동상태의 변화에 저항하는 경향인 관성을 더 많이 가지게 되는 것이다.
정지계(靜止系)에 대해서 일정한 속도로 운동하고 있는 물체는 언제나 같은 속도로 계속 운동을 하려고 하며, 정지하고 있는 물체는 계속 정지상태를 유지하려고 한다. 예컨대, 전차가 움직이기 시작할 때, 승객의 상체가 뒤로 넘어지려고 하는 것은, 발은 마찰력 때문에 전차와 같은 속도로 움직이기 시작하는데 상체는 관성에 의해 원위치로 정지하려고 하기 때문이다. 또 전차가 급정거할 때 앞으로 넘어지려 하는 것도 같은 이치로 상체가 운동을 계속하려고 하기 때문이다. 젖은 수건을 흔들어서 물방울을 털어내는 것도 물방울의 관성을 이용한 것이다. 이처럼 물체에는 관성이 있으므로 힘이 작용하면 물체는 힘에 대해서 저항을 한다. 이 저항력을 관성력 또는 관성저항이라 한다.
관성의 크기는 두 물체에 같은 크기의 힘을 작용시켰을 때, 물체가 얻는 가속도의 역비로 표시된다. 이 값을 질량의 비라고 하며, 어떤 물체의 질량을 표준으로 삼으면, 다른 물체의 질량을 정할 수 있다. 이와 같이 관성으로부터 정의된 질량을 관성질량이라고 한다. 따라서 질량이 큰 것일수록 관성이 크다. 물체가 한 축의 둘레를 회전할 때 외부로부터 힘이 작용하지 않으면, 축의 방향이나 각속도도 변하지 않는다. 이것을 회전관성이라고 한다. 이러한 회전관성의 크기는 그 질량이 축에 대해서 어떻게 분포하고 있는지를 나타내는 관성모멘트에 의해서 나타낼 수 있다.
(예문)
정지관성
1이불을 두드리면 먼지가 털어진다.
2담배를 털면 담뱃재가 떨어진다.
3종이를 갑자기 잡아당기면 자동차는 그대로 있고 종이만 빠져 나온다.
4종이를 빠르게 퉁기면 종이만 튕겨나가고 동전은 컵 속으로 떨어진다.
5엘리베이터가 올라가는 순간 몸무게가 증가한다.
6나뭇가지를 흔들어 쌓인 눈을 떨어뜨린다.
7걸려있는 두루마리 화장지를 빠르게 잡아당기면 끊어진다.
운동관성
1망치를 아래로 내려치면 망치 머리 부분이 고정된다.
2달려가던 사람이 돌부리에 걸리면 넘어진다.
3체온계를 흔들면 수은이 아래로 내려간다.
4버스가 갑자기 정지하면 승개고가 손잡이는 앞으로 기울어진다.
◎제 2법칙 - 힘과 가속도의 법칙
물체가 얼마나 급격히 속도 바뀌는가 (=가속도) a는 알짜힘F(=모든 외력의 합)에 비례하고 질량m에 반비례한다.
==> F=ma가 아니라 a=F/m 로 표현해야 맞다.
즉, 질량에 가속도를 곱하면 힘이 생겨나는게 아니라,
힘의 크기를 질량으로 나눈 값이 가속도의 크기라는 것이다.
==> 여기서의 가속도a는 힘을 가하는 방향만으로의 속도변화를 의미한다. 따라서
물체운동방향과 항상 수직으로 힘을 가하면, 이 힘에 의해 물체 속력은 바뀌지 않고 운동방향만 계속바뀐다.(등속원운동)
==> "가속도가 질량에 반비례한다"는 사실로부터 "뉴튼1법칙:관성의 법칙"과의 연관성을 알 수 있다.(질량이 클수록 관성이 커서 속도는 잘 변하지 않으려 한다.)
==> 따라서 알짜힘이 작용하지 않는 경우가 바로, "관성의 법칙"을 말한다고 할 수도 있다. 즉, 알짜힘이 0(영)이면 가속도가 0 이 되므로 속도변화는 없다.
(예문)
- 골프의 빽스윙
- 달리기할 때 팔다리의 빠른 움직임
- 투수의 투구 모션
◎제 3법칙 - 작용과 반작용의 법칙
1) '관성의 법칙'이나 '가속도법칙'과 달리 '작용·반작용법칙'은 힘이 작용할 때 '힘을 작용하는 주체는 어떤 일을 겪는가?'에 대한 설명이다. 또한 '힘을 작용시킨다는 것은 무엇을 뜻하는가?'에 대한 답이기도 하다. 즉 힘의 본질에 대한 설명이라 할 수 있다.
2) 정 의 :
"대상물체에 힘을 작용시키고 있는 물체는 대상물체로부터 자신이 가하는 힘과 같은 크기의 힘인 반작용(력)을 동시에 받으며, 이 반작용은 힘을 가한 물체에게는 또다른 외력으로서 작용한다." 이때 자신이 직접 가하는 힘을 작용(력), 대상물체로부터 받는 힘을 반작용(력)이라 부른다.
☞ 벽이나 수레를 손바닥으로 밀 때, 내가 미는 힘은 작용력, 벽이나 수레표면으로부터 내 손바닥이 눌리는 힘은 반작용이다. 그리고 이 반작용은 내가 스스로 유발한 또하나의 외력으로 취급해야한다는 것이다.
☞ 일반 참고서나 교과서에는 반작용을 '힘을 받는 대상물체가 힘의 주체에게 역으로 가하는 힘'이라는 식으로 정의하지만, 대상물체는 힘을 받을 뿐이지 다른 물체에 힘을 작용시키지는 않기 때문에 개념의 혼란을 가져올 수 있다. 하지만 너무나도 널리 쓰이고 있으므로 받아들이기로 한다. 즉, 수레를 밀 때 내가 수레를 미는 힘이 '작용', 이로인해 수레가 나를 미는 힘이 '반작용'이 된다 .(주어와 목적어를 뒤바꾸면 되는 셈이다.)
(예문)
- 비행기, 로케트의 추진 ( 뒤로 분출하는 가스에 대한 반작용)
- 그네를 타고 옆의 그네를 당기면 자기도 옆으로 끌려간다.