만유인력으로 우리에게 잘 알려진 아이작 뉴턴은 1643년 영국에서 태어났다. 23세가 되던 해
사과가 땅에 떨어지는 것을 관찰하고 지구의 중력을 깨달은 것으로 알려졌다. 뉴턴은
과거 2천년간 사람들의 생각을 지배해온 아리스토텔레스의 사고방식을 깨뜨려버리는 운동
법칙들을 공식화 하였다.뉴턴은 일생동안 중요한 세 가지의 운동법칙을 연구하고 발표했다.
뉴턴의 운동법칙들에 대해서 알아보도록 하자.
뉴턴의 제1법칙
운동하는 물체는 물체에 작용하는 힘이 있어야 한다는 아리스토텔레스의 생각을 뒤엎은 사람은
갈릴레오였다. 갈릴레오는 외력이 작용하지 않는한 운동하는 물체는 계속 운동을 할 것이라고
설명했는데 갈릴레오는 운동의 변화에 저항하려는 것을 관성이라고 불렀다. 갈릴레오는 뉴턴에
학문적 영향을 끼친 인물이다.
뉴턴의 제1법칙은 이런 갈릴레오의 생각을 정리하여 만들어졌는데 관성의 법칙 이라고도 불린다.
`물체에 가해지는 힘에 의해 상태가 변하지 않는다면 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고 운동
하는 물체는 계속 직선운동을 한다'. 고 정의할 수 있다. 관성의 법칙에서는 연속이라는 용어에 주목
한다. 물체에 힘이 작용하지 않는 한 물체는 하고 있던 운동을 계속할 것이다. 즉 정지해 있다면
계속해서 정지해 있을 것이고 운동하고 있다면 속력이나 방향의 변화 없이 계속해서 운동할 것이다.
물체는 스스로 가속되지 않는다고 간단히 말할 수 있다. 모든 물체는 관성을 갖는다. 질량은 물체가
갖는 관성의 크기를 나타낸다. 물체의 질량이 크면 클수록 관성도 커진다. 아리스토텔레스는 나르는
화살은 힘을 요구한다고 했지만 뉴턴의 관성 법칙은 화살의 운동은 자연적인 운동이라고 설명한다.
즉 공기저항이나 마찰이 없다면 직선을 따라 일정한 속력으로 운동하는데 힘을 필요로 하지 않는다
고 설명하고 있다. 갈릴레오의 관성이라는 아이디어는 뉴턴에 의해 그 의미가 정확하게 설명되었다.
뉴턴의 제2법칙
뉴턴의 제2법칙은 힘과 관성에 대한 가속도의 관계를 나타낸다. 물체의 가속도는 물체에 작용하는
알짜 힘에 직접 비례하며 가속도의 방향은 힘의 방향과 같으며 물체의 질량에 반비례한다로 정의할
수 있다. 우리가 매일 볼 수 있는 주변의 운동 상태는 끊임없이 변화하고 있다. 정지해 있다가도
나중에 움직일 수 있고 직선이 아닌 경로를 따라 운동할 수도 있으며 운동하다가 정지할 수 도 있다.
이처럼 운동 상태가 변하는 것은 여러 외력이 작용하기 때문이다. 물체에 작용하는 알짜 힘은 가속도
를 생기게 한다. 물체는 작용하는 힘의 방향으로 가속된다. 물체의 운동방향으로 힘이 작용하면
물체의 속력은 증가하고 반대 방향으로 힘이 작용하면 물체의 속력은 줄어든다. 힘이 직각으로 작용
하면 물체의 운동은 힘의 방향으로 바뀌게 된다. 한 개의 힘보다 더 많은 힘들이 물체에 때때로 작용
하기 때문에 알짜 힘이라고 말한다. 예를 들면 두 사람이 같은 방향으로 같은 크기의 힘으로 물체를
끌어당기면 혼자 끌어당길 때 보다 두배의 알짜 힘이 생기는 것이다. 한편 두 사람이 서로 반대 방향
의 힘으로 끌어당긴다면 이 힘들은 서로 반대 방향이므로 물체에 작용한 두 힘은 서로 상쇄돼서
알짜 힘은 0이다. 이처럼 힘은 크기와 방향을 갖고 있으므로 벡터량이다. 둘 이상의 힘이 물체에
작용한다면 벡터 규칙에 따라 힘을 결합시킨다. 물체의 가속도가 0일 때 물체는 역학적 평형상태에
있다고 말하는데 평형상태에서는 물체에 작용하는 모든 힘들이 서로 상쇄된다. 그 결과 평형상태에
있는 물체에 작용하는 알짜 힘은 0이 된다. 가속도가 0이라고 해서 속도가 0인 것을 뜻하지는 않는다.
가속도가 0이라는 것은 물체 자신의 속도를 그대로 유지한다는 뜻이며 속력이 증가하거나 감소하거나
또는 방향을 바꾸는 것을 뜻하지 않는다. 움직이는 모든 것은 마찰력보다 큰 힘으로 당기거나 밀어야
한다. 마찰력의 방향은 항상 운동을 방해하는 방향이다. 마찰력은 접촉면적과 전혀 관계가 없다.
마찰은 고체뿐만이 아니라 액체와 기체 즉 유체에서도 나타난다.
뉴턴의 제3법칙
단순히 힘은 밀거나 당기는 것이다. 그러나 자세히 보면 힘은 두 물체 사이의 상호작용에 기인하는
것이다. 망치가 쐐기에 힘을 가할 때 쐐기도 망치에 역시 힘을 가한다는 것을 생각한 뉴턴은 이 관찰을
통해 운동의 제3법칙 즉 작용과 반작용 법칙을 유도해냈다.
제3법칙은 `첫 번째 물체가 두번째 물체에 힘을 작용하면 두번째 물체 역시 첫번째 물체에 크기가 같고
방향이 반대되는 힘을 작용한다'로 정의한다. 설명하면 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인
반작용이 있다. 즉 어떠한 상호작용에 있어서 크기가 같고 방향이 반대되는 작용과 반작용이라는
한쌍의 힘이 있다. 그러므로 모든 힘은 작용과 반작용의 쌍으로 나타난다. 같은 물체에 크기가 같고
방향이 반대인 힘이 작용하면 힘들은 서로 상쇄된다. 그러나 작용과 반작용력은 크기가 같고 방향이
반대일지라도 각각 다른 물체에 작용하기 때문에 상쇄되지 않는다. 이 제3법칙은 모든 곳에서 응용된다.
바위와 지구를 예로 들면 지구는 바위에 의해 끌어올려지고 바위는 같은 크기의 힘으로 지구에 의해
아래쪽으로 끌린다. 지구와 바위의 작용 반작용인 것이다. 로켓이 기체를 밀어내고 기체가 로켓을
미는 것. 자동차 바퀴가 도로를 밀고 도로가 바퀴를 미는것. 이들 모두가 작용 반작용의 예가 된다.
이상에서 뉴턴의 세 가지 운동법칙에 대해 알아보았다.
정리하면 뉴턴의 제1법칙은 운동의 변화에 저항하는 관성에 대한 것이고. 제2법칙은 물체에 힘이 작용
할 때 물체는 가속되는데 가속도는 힘에 비례하고 질량에 반비례한다는 것이다. 제3법칙은 작용과
반작용에 대한 것으로 힘은 작용력과 반작용력의 쌍으로 나타나고 이 한쌍의 힘이 두 물체 사이의
상호작용을 형성한다는 것이다.
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