관성

관성의 법칙

아리스토텔레스는 모든 움직이는 물체는 정지 상태에 도달하려 한다고 했다.

갈릴레오 갈릴레이는 빗면의 쇠구슬의 운동을 통해, 운동하는 물체는 운동 상태를 유지하려는 성질을 지니고 있다고 생각했다. 다시 말해, 물체가 관성을 지니고 있다고 본 것이다.

관성계

관성의 법칙은 보는 입장에 따라 차이가 생긴다. 한쪽에서는 힘이 작용하는 것으로 여기고, 다른 쪽에선 관성의 결과로 여기는 것이다. 따라서 계를 아는 것이 중요하다. 

관성의 법칙이 성립하는 계에서는 물리 법칙이 수학적으로 가장 단순하게 표시된다. 이러한 계를 관성계라고 한다. 

질량과 힘

관성을 다룬 장은 역학의 새로운 분야를 열었다. 역학은 운동을 일으키는 원인을 연구한다. 

질량

힘이 작용한다는 것을 어떻게 알 수 있을까? 물체가 가속될 때, 우리는 힘을 인식할 수 있다. 따라서 힘이라는 말의 물리학적 의미를 알기 위해서는 물체를 가속시켜야 한다.

같은 힘을 주어도 가속도는 다르게 나타난다. 따라서 물체는 모두 같은 관성을 지니지 않으며 관성에도 다양한 차이가 있는 만큼, 관성을 측정하기 위해서는 질량이라는 개념을 고려해야 한다. 관성과 질량은 반비례한다.

힘

가속도나 질량이 커지면 힘도 커질 수밖에 없다. 

힘은 질량 곱하기 가속도이다. 힘은 방향, 즉 가속도의 방향도 지닌다. 따라서 힘은 벡터이고, 벡터의 방향은 가속도의 방향과 일치하며 그 절댓값은 질량과 가속도의 곱으로 구한다.

힘의 단위는 질량과 가속도의 단위로 정해진다. 1N 은 1kg * 1m/s^2 과 같다.

탄성력

탄성력은 변형된 길이에 비례한다. 이 경우, 훅의 법칙이 성립한다. 

용수철에서 탄성력 F가 변형된 길이 x에 비례하면, 훅의 법칙이 성립한다. 계수 D는 용수철에 특징적인 상수이며 탄셩 계수라고 한다. 

음 부호는 탄성력이 변형된 방향과 반대 방향으로 작용함을 의미한다. 

역량계

역량계는 가속도가 아닌 용수철을 이용해 힘을 측정하는 도구

중력

역량계를 수직으로 세우고 이 역량계에 100g 짜리 상자를 매달면 약 1N 의 힘이 작용한다.

중력은 장소에 따라 변하지만, 질량은 변하지 않는다.

원운동에 작용하는 힘

회전하는 물체에는 가속도가 작용한다. 이 가속도는 절댓값 a=w^2*r 을 가지고 항상 원의 중심을 향한다. 따라서 이 물체에는 뉴턴의 제 2법칙에 따라 가속도와 마찬가지로 원의 중심을 향하는 힘이 작용한다. 원운동을 하도록 하는 이 힘을 구심력이라고 부른다.

힘의 합성

힘이 작용하는 화살표는 벡터의 덧셈이 가능하다. 벡터의 합은 모든 힘의 합력(알짜 힘)이라고 한다. 

힘의 분해

힘의 합성과는 반대로, 어떤 개개의 힘들이 알짜 힘을 만드는지를 알기 위해 알짜 힘을 각 성분으로 나누는 것을 힘의 분해라고 한다. 

뉴턴의 법칙

뉴턴은 <<자연철학의 수학적 원리>> 에서 물리학의 기초 이론을 세워 뉴턴역학의 체계를 마련했다. 뉴런은 역학 현상을 단 세 가지 법칙으로 정리했다. 그는 공리라고 말했지만, 법칙이라는 개념이 더 적합하다.

• 뉴턴의 제 1 법칙(관성의 법칙)
  • 모든 물체는 외부에서 힘을 가하지 않는 한, 자신의 상태를 그대로 유지하거나 등속직선운동을 한다.
• 뉴턴의 제 2 법칙(가속도의 법칙)
  • 물체에 작용하는 힘의 크기는 물체의 질량과 물체가 얻는 가속도의 곱이다. 즉, 물체에 힘을 가했을 때, 물체가 얻는 가속도는 가해지는 힘에 비례하고 물체의 질량에 반비례하는 것이다.
• 뉴턴의 제 3 법칙(상호작용, 또는 작용반작용의 법칙)
  • 물체 1이 물체 2에 작용하는 힘은 물체 2가 물체 1에 작용하는 힘과 크기는 같고 방향이 반대이다.

제 1법칙은 제 2법칙의 특수한 경우로 볼 수 있다. 

관성력

관성을 다루면서 관찰자에게 인지되지 않는 힘을 접하게 되었다. 관성력이라 불리는 가상적인 힘 중 두 가지를 살펴본다.

코리올리의 힘

진자운동을 관찰한 실험으로, 진자의 방향이 이동하고 시간이 흘러감에 따라 원래 방향과의 편차는 동일하게 커진다. 

이를 북극에서 실허맣게 된다며, 관성계가 아닌 외부에서 관찰할 때, 진자는 진동 방향을 바꾸지 않는다. 이러한 방향의 변환은 지구의 자전에 의해 발생하는 것이다.