2022 물리학1-힘과 뉴턴 운동 법칙)

그렇게 이름만 많이 들었던 뉴턴 선생님ㅋㅋ
뉴턴.
뉴턴.
뉴턴.
 
누워있다가
우연히 만류인력의 법칙을 발견하신건 알겠는데
그 장면 밖에는 몰랐던 나에게
조금 더 그 분의 진가를 알아보라고 기회를 주시나 보다싶다.
 
힘은 무엇일까?
 
그리고 뉴턴 운동 제 1법칙(관성 법칙)
뉴턴 운동 제 2법칙(가속도 법칙)
뉴턴 운동 제 3법칙(작용 반작용 법칙)
이 무엇일까?
에 대해 알아보려고 한다.
 
아무래도 같은 단원 안에 있는 걸 보니
힘과 뉴턴 법칙 간에 어떤 관계가 있는 듯 하다. 

관성도 우리가 버스나 지하철을 타면서
출발할 때나 멈출 때 몸이 운송수단이 향하던 쪽으로 기우는 걸 보면
힘의 영향이랑 연관이 있다고 할 수 있고
 
가속도도 줄였다 늘렸다 하면 그 물체가 가지는 힘의 크기도 달라질거라고 본다.
 
작용 반작용은 주먹으로 벽을 쳤을 때 그게 다가 아니라 주먹을 맞은 벽도 반대로 작용을 하는 거니까
 
세가지 모든 법칙이 힘이랑 연관되어있지 않을지 예상해본다.
 
A Few Minutes Later..

a few minutes later after studying

그랬다.
 
애초에 힘을 표현하는 단위 자체가 N(Newton) 뉴턴의 N이었다.
뉴턴 선생님의 업적을 기리기 위해서 힘의 단위를 N으로 한다고 한다.
 
1N을 1kg의 물체를 1m/s^2로 가속시키는 힘을 말한다.
그래서 1N=1kg*m/s^2
로 표현할 수 있다.
 
힘에는 가속의 개념이 무조건 들어가기 때문에 등속 직전 운동같이 속도와 방향에 변화가 없는 운동이라면
힘이 0N이라고 할 수 있는 것이다.
이걸 '힘의 평형 상태'라고 말한다.
 
알짜힘은 한 물체에 가해지는 힘들의 총합을 말하는데
줄다리기를 예로 들 수 있다.
 
각팀에 선수들이 각각 5명씩 있고 한 사람의 힘을 1N이라고 했을 때
줄을 양쪽으로 각각5N의 힘으로 잡아당기고 있다고 할 수 있다.
그래서 줄에 입력되는 힘을 총합은 0N이 되어서 줄은 움직이지 않고 가만히 있게 된다.
 
하지만 오른쪽 팀원 중 한명의 힘이 너무 세서 3N의 힘을 가지고 당기게 된다면
힘의 합력이 오른쪽으로 2N이 된다. (7N-5N)
 
기본적으로 힘에 대한 간단한 설명이 끝났는데
이 개념을 바탕으로 이제 실생활에서 나타나는 다양한 현상들을
뉴턴 법칙을 적용하면서 해석할 수 있게 된다.
 
먼저, 관성의 법칙인데 다들 한 번쯤 들어보고 경험도 해봤을 법칙이다.
 
테이블위에 식탁보를 깔고 그 위에 그릇이나 접시, 컵을 올려두고
식탁보만 순식간으로 쑥 빼면 그릇들이 제자리에 있는 걸 볼 수 있다.
물체가 원래 하려던 움직임을 그대로 유지하려고 하는 성질을
관성이라고 하는 것이다.
 
근데 물체의 질량이 클수록 가지고 있는 힘의 크기가 크기때문에
예를 들어 테이블위에 물이 가득차있는 주전자와 종이컵을 두고
식탁보를 뺀다고 했을 때
종이컵은 질량이 작고 관성이 작아 넘어지기 쉽지만
주전자는 그 반대라 관성을 유지하기가 더 쉽다 즉, 관성이 더 크다고 할 수 있다.
 

이번에는 제 2법칙(가속도 법칙)
 
이전에 배운 가속도랑 뭐가 다르냐고 물으신다면
그저 가속도가 뭔지를 배우는 게 아니라
힘과 물체의 질량과 가속도의 관계를 나타내는 게 이 법칙의 핵심이라고 할 수 있다.
 
위의 오토바이를 생각해본다면 오토바이의 무게가 무거울수록 가속도의 증가 속도는 더딜것이고
마력이 좋다면 가속도 증가 속도는 빨라질 것이다.
힘을 N이라고 하는데 force라는 영어 뜻에서 F를 쓰기도 한다.
 
그래서 간단히 a(가속도)=F(힘)/m(질량)이라고 나타낼 수 있다.
 
힘이 크면 가속도는 증가하고 질량이 크면 가속도는 감소한다는 공식이다.
 
양쪽에 m을 곱하면 F=ma 즉, N=kg*m/s^ 와 같이 처음에 힘의 개념과 같다는 것을 알 수 있고
약자로 F=ma라고 나타내는 거라고 할 수 있다.
 

마지막으로 제 3의 법칙.
그림에서 힌트를 얻을 수 있는데
바로 작용 반작용 법칙이라 한다.
 
총을 쏠 때 총알이 나가면서 그 반동으로 총이 뒤로 가면서 어깨를 뒤로 밀치는 현상이 나타나게 된다.
단순히 총의 힘으로 총알을 밀어낸 게 아니라
총알도 나가면서 총을 뒤로 밀어내는 힘을 가지고 있다는 원리이다.
 
이 원리는 그래서 서로 다른 물체가 서로에게 작용하는 힘의 원리라고 할 수 있다.
 
이렇게 서로가 밀어내는 작용에서만 적용되는 법칙이 아니라 지구가 달을 당기는 힘, 달이 지구를 당기는 힘처럼
서로 당기는 힘에도 작용 반작용 법칙이 성립하게 된다.
 
만약 한쪽만 작용을 하고 반대쪽에서 반작용이 없거나 더 적거나 큰 힘의 반작용이 일어나게 되면
힘의 균형이 무너져 한 쪽으로 쏠리는 현상이 발생할 수 있다.
 
예를 들면, 손바닥 밀치기!
서로가 손바닥 밀치기 싸움을 하는데 두 친구의 미는 힘이 같을 때는 서로가 넘어지지 않는데
한쪽의 미는 힘이 더 클 경우에는 반대쪽 친구가 뒤로 밀리듯이 작용 반작용의 균형이 깨지게 된다.