Newton의 제1 법칙

다시 올바른 질문을 해보자; 무엇이 야구공의 운동을 변화시켰을까? 분명히 그것은 공을 밀어 친 배트였다. 다시, 밀고 당기는 것을 기술하기 위해서 힘이라는 용어를 쓴다. 그리고 동역학의 본질은 단순히 이것이다.

힘은 운동에 변화를 일으킨다.

 

곧 이 개념을 고찰하고 정량화시켜, 식으로 표현하고 수치 문제를 풀 것이다. 그러나 중요한 점은 위의 간단한 글귀에 있다. 물체의 운동을 변화시키려면, 힘을 작용시킬 필요가 있다. 물체의 운동 변화를 관찰하면 거기에는 작용하고 있는 힘이 있는 것을 알게 될 것이다. Aristotle의 개념과는 심오한 차이가 있다는 것에 유의하여라. Aristotle과는 반대로, 또한 여러분의 직관과도 반대일지 모르지만, 물체가 변하지 않는 운동을 하도록 하기 위해서 힘이 있는 것이 아니다: 힘은 오직 물체의 운동 상태를 변화시키기 위해서만 필요하다.

 

알짜 힘

공을 좌우상하로 밀 수 있다. 승용차의 타이어들은 차를 앞뒤로 밀기도 하고 커브를 돌게 할 수도 있다. 힘에는 방향이 있기 때문에 벡터양이다. 더욱이 한 개 이상의 힘이 한 물체에 작용할 수 있다(그림 5-3). 한 물체에 작용하는 개개의 힘들을 상호 작용력(interaction force)이라 하는데, 그 이유는 이 힘들이 이 물체와 상호 작용하는 다른 물체와 항상 관련되기 때문이다. 예를 들면 그림 5-3에서 상호 작용력들은 차를 밀고 있는 사람들이 내는 각각의 힘들이다. 그래서 "상호 작용력"이라는 용어가 적절한데, 이유는 이 힘들이 사람들과 차 사이의 상호 작용과 관련되기 때문이다. 그림 5-3b에서 상호 작용력은 공기가 비행기에 미치는 힘, 뜨거운 배기가스에 의하여 생기는 엔진의 힘, 그리고 지구에 의한 중력이다. 이 장에서의 요점은 힘이 운동의 변화 원인이 된다는 것이고, 따라서 힘과 운동의 변화 사이의 관계를 상세하게 탐구한다. 실험에 의하면 중요한 것은 알짜 힘(net force)인 데, 이것은 물체에 작용하는 각각의 상호 작용력의 벡터 합을 의미한다. 물체에 작용하는 알짜 힘이 0이 아니면 물체의 운동-운동의 방향이나 속력 또는 양쪽 모두_은 변하고 있어야 한다. 물체에 작용하는 알짜 힘이 0이면, 각각의 상호 작용력들이 알짜 힘에 어떻게 기여하든 간에, 그 물체의 운동은 변하지 않는다.

 

Newton의 제1 법칙

앞의 구절의 마지막 설명은 힘이 운동의 상태를 변화시키는 원인이 된다는 기본적인 개념을 다르게 표현한 것에 불과한데, 이것이 Newton의 제1 법칙(Newton의 Newton 's first law)이다.

Newton의 운동 제1 법칙: 0 이 아닌 알짜 힘이 작용하지 않으면, 등속도 운동을
하는 물체는 등속도 운동을 계속하고 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있다.

 

여기서 현대적 용어에 보다 부합시키기 위해 Newton의 처음 표현을 바꾸어 썼다. "등속도"라는 표현이 가장 중요하다. 등속도 운동(uniform motion)은 일정한 속력으로 직선상에서 운동한다는 변함 없는 운동을 의미한다. "정지해 있는 물체"에 관한 표현은 실제로는 불필요한데, 그 이유는 정지상태는 속력이 0인 등속도 운동인 특별한 경우이기 때문이다. 그러나 Newton의 처음 표현과 부합시키기 위해서 이것을 포함했다. 제1 법칙은 등속도 운동이 더 이상의 설명이 필요하지 않은 완전한 자연 상태라는 것을 말한다. 이 법칙에 의하면 물체가 등속도 운동하면 물체에 작용하는 알짜 힘은 0이어야 하고, 0이 아닌 알짜 힘이 작용할 때까지 등속도 운동을 계속할 것이다. 역시 "등속도"라는 말이 중요하다. 제1 법칙은 0이 아닌 알짜 힘없이 원운동 하는 물체는 원운동을 계속한다고 말하지는 않는다. 그것은 원운동 하는 -또는 다른 곡선 경로에 있는 -물체는 0이 아닌 알짜 힘을 받고 있어야 한다는 것을 의미한다. 곡선 운동은 방향의 변화와 관련되며 방향 변화는 운동의 변화이고 따라서 힘을 요구하기 때문이다. 속력이나 방향 또는 속력과 방향 모두가 변하는 물체의 어떤 운동 변화도 비등속도

운동을 의미하며, 따라서 0이 아닌 알짜 힘이 물체에 작용하고 있어야 한다.

 

개념 파악

그림 5-4는 수평인 테이블 윗면을 내려다본 그림이다. 테이블 윗면에는 공에 힘을 작용하는 굽은 장벽이 있어서 그림에서와 같이 원형 경로에서 운동하도록 한다. 공과 장벽과의 접촉이 끝난 후에는 어느 점선 경로에서 운동할까?

 

Newton의 제1 법칙은 간결하다 그러나 Aristotle 학파의 편견에 위배되는 것 같다. 소가 끄는 것을 멈추었다. Alistlotle의 우마차는 멈추었다. 또한 가스공급을 중단하면 승용차는 곧 정지한다. 그러나 이때 운동이 변하기 때문에 이것을-제1 법칙이 주장하는 것과 같은-0이 아닌 알짜 힘이 작용하고 있어야 한다. 이 힘은 마찰이나 공기저항과 같이 "숨은" 힘이고, 사람이나 동물의 근육이 밀고 당기는 힘과 같이 뚜렷하지 않아 아이스 쇼나, 하키 경기 또는 마찰력이 최소가 되는 다른 상황을 관찰하면, 제1 법칙이 보다 명확해진다.

 

그림 5-4 수평 테이블을 위에서 본 그림, 장벽이 공을 곡면 경로로 안내한다. 

공이 장벽을 떠나면 어느 쪽으로 운동할까?