뉴턴의 운동 3법칙
개요
뉴턴의 운동 법칙 Newton運動法則 Newton's laws of motion
뉴턴이 발견한 물리계에 있는 3개의 운동 역학 법칙이다.
제 1법칙
다른 말로 관성의 법칙이라고 한다. 등속직선운동을 하는 물체는 외부의 힘이 작용하지 않는 한 변함없이 같은 운동을 계속한다고 한다. 그럴거 같다.
쉽게 이야기하자고! 문과들아!
걍 길가던놈은 길가고 멈춘놈은 계속 그자리에 있다는 의미다.
생각해보자. 길가던놈이 목적지에 도달하기 전까지는 계속 움직일거고 누가 불러 세우지 않는한(외력이 작용하지 않는한) 계속 갈것이다.
멈춰서 기다리는 놈은 누군가 오기전까지 기다릴 거고 그 누군가가 오면 움직이겠지(외력이 작용한다면). 이런 의미이다.
F=-F라는 거다.
이 관성력이 작용력의 반대방향이라는 점이지.
F안에는 a라는 가속도 성분이 있고 이거하나가 변수이므로 가속도의 방향에 따라 바뀐다는 점만 명심하면 뉴턴 아재와 사랑을 나눌 수 있다. ㅇㅇ
제 2법칙
운동의 양을 운동량(momentum)이라고 부르며 다음과 같이 정의된다.
여기서 정의되는 운동량은 (직)선운동량(linear momentum)이다. 회전운동과 관련된 각운동량(angular momentum)과는 다르다.
p = mv (여기서 m 은 질량 v 는 속도벡터이다.) 같은 크기의 쇠공과 플라스틱공이 같은 속도로 날아가도 맞는 사람 입장에서 어느 쪽을 원할지 생각해보면 운동에도 "양"이 있음을 알 수 있다.
움직이는 물체에 일정시간 동안 외부에서 힘을 가하면 운동에 변화가 생긴다. (잘 생각해보면 제 1법칙의 동어반복이다.)
따라서 힘(force)은 단위 시간당 그 변화되는 운동의 양 Δp 이 되므로 다음과 같이 표현된다.
F(평균) = Δp/Δt = Δ(mv)/Δt 여기서 Δp를 힘을 받는 물체에 가해지는 충격량(impulse)이라고도 한다.
이것이 오리지널 의미의 제2법칙이다. 중딩들도 배우는 F = ma는 느리게 움직이는 (광속에 훨씬 못미치는) 속도로 움직이는 물체에 한해 적용되는 근사치일뿐이다.
F(평균) = Δp/Δt =Δ(mv)/Δt 인데 힘을 받아 속도가 변화되기 전과 후의 질량에 차이가 없다는 가정(광속에 비해 존나 느리게 움직일 때)하에서는 Δp = mΔv가 되므로 F(평균) = mΔv/Δt = ma(평균)이 된다.
여기서 (평균)꼬리표 보기 싫으면 양변을 미분하면 된다. 물론 중딩 책에 나오는 것들은 다 (평균)이 암시되어있다. 여기서 (평균)은 시간에 따른 평균을 뜻한다. 실제로는 시간에 따라 힘의 크기와 방향이 달라지므로 미적분으로 분석해야하는 것이다.
실생활에서는 에스컬레이터가 있다. 그리고 속도붙어서 때리는 것도..?
다시 한번 정확히 설명해준다.
물리학에서 질량 m은 절대상수이다. 즉 변하지 않는다는 것이다.
만일 질량 m을 가진 물체가 움직일 때(가속도가 존재할때) 반드시 힘이 작용해야한다는 이야기다.
이걸 역으로 생각하면 주는 힘을 내가 알고있다면 질량당 주는 힘의 관계로 가속도를 알아내 저놈의 다음 속도, 위치를 알아 낼 수 있다는 사기적인 법칙이다.
온갖매체에서 물리학자 캐릭터들이 거의 예언자마냥 이야기 할 수 있고 맞추는 이유도 다 이 법칙의 존재때문이다.
제 3법칙
공기가 들어있는 주사기의 한쪽 끝을 막고 피스톤을 세게 누르면 공기도 반대방향으로 피스톤을 졸라 세게 누른다. 그래서 공기도 아프고 누르는 내 손도 아프다.
즉 어떤 물체에 외부에서 힘을 가하면 물체도 반대급부로 외부에 힘을 가한다. 이걸 유식하게 상호작용(interaction)이라고 한다. 이 때 두 힘은 크기는 같고 방향은 서로 반대인 벡터가 된다.
아름다운 우리말로 "작용-반작용의 법칙"이라고도 한다. 이걸 정역학(statics)에서의 힘의 평형(equilbrium)과 헷갈리면 안드로메다로 가게 된다.
작용과 반작용 법칙을 참 어렵게도 설명했다 문과들아! 형이 제대로 알려준다.
작용 반작용과 힘의 평형을 구분할 도구들을 몇개 알려주자면, 작용과 반작용은 목적어가 두개, 힘평형은 목적어가 없다 라는 점이다.
작용과 반작용 EX) 책상과 음료수 캔이 서로를 밀어내어 정지중이다 - 목적어 2개
힘평형 EX) 책상이 정지중이다. - 의문점을 하나 가질수 있는데 정지중이라는건 알짜힘이 0일 때이고 모든 힘을 합산해서 평형을 이루었음을 이야기한다.
두 번째는 작용과 반작용은 작용하는 힘이나 반작용된 힘이 어딘가에 나타나지만 힘의 평형은 어디에도 나타나지 않는다는 점이다.
두 방법을 하나씩만 사용하면 예외 상황이 있으나 이 두개를 동시에 생각하면 작용과 반작용, 힘평형은 쉬운 개념이다.
걍 앞 안보고 먼산 보고 가다가 전봇대에 쳐박으면 단박에 이해 가능하다.
그리고 이 것도 전자기력이 원인이라고 한다.
추가 법칙
어떤 시스템에 가해지는 외부의 힘의 총벡터합이 0이라면 그 시스템의 선운동량은 보존된다. 이것은 우주전체에 까지 적용되는 법칙이다.
