뉴턴의 법칙 3가지, 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙

물리학을 공부하면 만나게 될 3대 거장

뉴턴이 떨어지는 사과에서 아이디어를 얻어서 만유인력의 법칙을 발견했다는 일화를 어렸을 때 누구나 들어봤을 겁니다. 물론 그것이 이해를 돕기 위한 소개였을테지만 뉴턴이 세운 업적을 이해하는 데는 충분한 것으로 보입니다.

 

물리학자 중에서 3대 거장이 있다고 합니다. 맥스웰 방정식을 만든 제임스 멕스웰, 상대성이론을 만든 알베르트 아인슈타인, 그리고 뉴턴의 법칙을 만든 아이작 뉴턴입니다.

 

물리학을 공부하다보면 거의 모든 물리학 책이 고전역학, 전자기학, 양자역학 순으로 되어있다는 걸 알 수 있습니다. 이 순서대로 본다면 뉴턴, 맥스웰, 아인슈타인 순서대로 만나보실 수 있습니다.

 

이번 글에서는 고전역학의 핵심이라고 할 수 있는 뉴턴의 법칙 3가지를 가볍게 정리해보겠습니다.

 

아이작 뉴턴, 출처: 나무위키

 

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고전물리의 기본이 되는 뉴턴의 법칙 3가지

제 1법칙 : 관성의 법칙

물체를 움직이려면 힘을 써야 합니다. 물체에 힘이 작용한다는 것은 외부에서 사람이나 무언가가 물체를 움직이도록 힘을 준다는 것을 의미하죠. 만약 물체에 아무런 힘을 주지 않으면 어떻게 될까요? 멈춰있는 물체는 그대로 멈춰있게 되고, 움직이고 있는 물체는 영원히 그 상태로 움직일 것입니다. 이것이 뉴턴의 제1법칙 관성의 법칙입니다.

물체에 힘이 작용하지 않으면 물체의 속도는 변하지 않는다. 즉, 물체는 가속되지 않는다.

여기서 말하는 힘이라는 것은 질량이 1kg으로 정의된 물체에 1 $m/s^2$의 가속도를 얻도록 작용하는 것을 1N(뉴턴) 크기의 힘을 가진다고 말합니다.

힘은 크기와 방향을 가진 벡터량입니다. 따라서 둘 이상의 힘이 작용하면 벡터연산을 통해서 알짜힘(모든 힘의 합)을 구해야합니다. 알짜힘으로 관성의 법칙을 표현하면 다음과 같습니다.

물체에 작용한 알짜힘이 0이면($\vec{F_{net}} = 0$) 물체의 속도는 변하지 않는다. 즉, 물체는 가속되지 않는다.

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제 2법칙: 가속도의 법칙

힘은 질량과 가속도와 관련이 있다는 걸 위에서 알 수 있습니다. 힘의 크기는 가속도의 크기에 비례합니다. 따라서 뉴턴의 제2법칙은 다음과 같이 정의됩니다.

물체에 작용한 알짜힘은 물체의 질량과 가속도의 곱과 같다.

이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다. $$\vec{F_{net}} =m\vec{a}$$

힘과 가속도는 벡터량이기 때문에 위에 화살표를 단 글자로 표시했습니다. 힘의 방향은 가속도의 방향과 같습니다.

힘의 단위는 위에서 언급한 N(뉴턴)입니다. 힘을 SI단위계로 나타내면 $$1N = (1kg)(1m/s^2) = 1kg\cdot m/s^2$$

 

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제 3법칙: 작용 반작용의 법칙

두 물체가 서로 밀거나 당길 때, 즉 다른 물체가 한 물체에 힘을 작용할 때 두 물체가 상호작용한다고 말합니다. 여러분의 책상위에 놓여진 머그컵이 있을 때 머그컵에는 항상 중력이 작용하고 있고, 머그컵도 반대로 지구를 당기고 있습니다. 또한 책상이 머그컵을 받치는 힘이 있고, 머그컵이 책상을 누르는 힘도 있습니다. 모두가 뉴턴의 제 3법칙에 해당되는 짝힘이라고 할 수 있습니다.

두 물체가 상호작용할 때 서로에게 작용하는 힘은 항상 크기가 같고 방향이 반대이다.

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일상에는 정말 여러 가지의 운동이 있지만 뉴턴의 운동법칙으로 거의 모든 운동이 설명이 됩니다.

뉴턴의 법칙은 정말 위대한 법칙이 아닐까요