힘과 운동

바람, 물, 중력, 사람의 근육의 힘 등 윈드서핑 보드의 운동을 결정한다.
우주선의 로켓 엔진을 및 년 전에 껐는데도 행성 간 우주선은 힘들이지

않고 우주 공간을 운행한다, 왜 계속 운행할까? 야구공이 타자를 향해서

날아온다. 타자는 배트를 휘둘러 강타한다. 그러면 공은 갑자기 좌익 쪽으로

날아간다. 이 운동의 변화는 왜 일어나는가?
운동에 관한 "왜"라는 질문들은 동역학(dynamics)이라는 물리학의 분야에서

풀어야 하는 과제이다. 이 장에서는 운동에 관한 "왜"라는 질문들에 답하는

기본 법칙들을 논의한다. 300여년 전에 Isaac Newton이 처음으로 이 법칙들을

식으로 나타냈는데 이 법칙들은 아직 오늘날 물리학과 공학의 중요한 부분으로서,

천체 물리학자들이 멀리 떨어져 있는 행성으로 우주선을 유도하는데,

공학자들이 더 좋은 승용차를 개발하는데, 그리고 생물학자들이 세포의

성분들을 다루는 데 도움을 준다. 다음 장에서는 운동의 법칙들을 다양한

실제 상황에 대해서 적용할 것이다.

 

잘못된 질문
이 장은 두 가지 질문으로 시작되었는데 그중 하나는 "우주선이 왜(어떻게)
계속 운동하였는가"이고, 다른 하나는 "야구공의 운동이 왜 변했는가"이다.
Aristotle(B.C. 382~322)의 연구가 있고 난 뒤 근 2000년 동안 첫 번째 질문-물체는
왜 운동하는가?-은 중대한 질문이 있다. 대답은 명백해 보였다; 밀고 당기는
힘이 물체를 계속 움직이게 한다는 것이다. 이 생각은 Aristotle 시대에는 상당히,
인정받았다. 예를 들어, 소가 수레를 끄는 것을 멈추면 수레는 멈춘다.

오늘날에도 이것은 이치에 맞는다. 달리기하다가 달리는 노력을 그만두면

운동은 멈추게 된다. 가속 페달에서 발을 떼면 차는 곧 멈춘다 일상적인 경험에서
보면 Aristotle의 생각은 옳고, 우리들 대부분의 머릿속에는 운동에 원인이

필요하여 특히 운동하는 물체를 계속 운동시키는 밀고 당기는 존재가 필요하다는
Aristotle의 생각을 갖고 있다.
계속 밀고 당기지 않아도 운동을 계속하는 야구공이라 화살과 같은 물체를
이상하게 생각할 것이다. Aristotle 학파들은 그들의 체계에 이 문제들을

포함하는 방식을 생각했다. 공기가 앞쪽으로부터 뒤쪽으로 가서 물체를 

앞으로 밀어서 이 물체들을 움직이게 한다고 그들은 믿었다.
실제로 "무엇이 물체를 계속 운동하게 할까" 하는 것은 잘못된 질문이다.
1600년대 초에 Galileo Galilei는 운동하는 물체에는 고유한 "운동의 성질"이

있어 운동시키기 위해서 밀 필요가 없다고 확신시키는 실험을 수행했다

(그림5-1).
"물체를 움직이게 하는 것이 무엇인가?"라는 질문에 대답하는 대신에,

Galileo는 답이 필요 없다고 단언했다. 이리하여 그는 Isaac Newton의

업적에서 시작하여 Albert Einstein의 업적에서 최고조의 이르는 수 세기에

걸친 물리학 발전의 발판을 마련하였다.

 

올바른 질문
"우주선이 왜 계속 운동하는가" 라는 이 장의 첫 질문은 틀린 것이다. 그리면
올바른 질문은 무엇일까? 그것은 야구공의 운동이 왜 변했는가 하는 두 번째
질문이다. 동역학이라는 학문은 무엇이 운동 자체의 원인인가에 관한 것이 

아니라, "무엇이 운동 변화의 원인인가"에 관한 것이다. 변화에는 출발과 정지,

가속과 감속 및 방향 변화가 포함된다. 운동의 변화는 어떤 것이든 설명을 필요로

하지만 운동 자체는 그렇지 않다. 비록 이 중요한 생각이 여러분의 Aristotle 적

선입견에 배치되더라도 이 개념에 익숙해지면, 물리학에 쉽게 접근하게 될 것이다.

그러나 "탁상공론의 Aristotle 학파"가 되어 운동 자체의 원인을 찾고 있다면, 운동을 

실제로 지배하는 단순한 법칙들을 이해하고 감상하고 적용하는데 어려움을 

겪게 될 것이다.

운동에 관한 올바른 질문을 알아낸 사람은 Galileo였다. 그러나 운동이 어떻게
변하는가를 정확히, 표현하는 정량적 법칙들을 공식화한 사람은 Isaac

Newton이었다(그림 5-2). 오늘날 잠김 방지 브레이크 설계에서부터 넘어지지 않는 마천루의 

건축, TV 스크린과 컴퓨터 화면에 그림을 나타내는 전자들의 유도장치에
이르기까지 모든 일에 이 법칙들을 이용한다.

 

그림 5-1 (a) Galileo는 비탈을 따라
굴러 내리는 공은 두 번째의 비탈에서 

거의 출발점의 높이까지 올라간
다는 것을 알았다.
(b) 두 번째 비탈을 완만하게 하면
공은 수평 방향으로 더 멀리 가게 된
다. (c) 두 번째 비탈을 완벽히 수평
이 되게 한다면, 공의 운동은 영원
히 계속될 것이라고 Galileo는 생각
했다.

 

(그림 5-2) 59세 때의 Isaac Newton.
Newton이 20살 때 영국 전역에

천연두가 퍼져 대학들이 문을 닫았다. 

그는 2년간의 고립된 시골 생활을 한
후 운동의 법칙과 중력에 대한 기초를
닦고 미적분학을 개발하기 시작했다.