뉴턴의 운동 법칙에 대한 이야기 (Force and Newton's Laws of Motion)

뉴턴의 운동 법칙에 대한 이야기 (Force and Newton's Laws of Motion)

Force (힘) 

무엇이 물질을 움직이게 할까? 무엇이 차를 더 빠르게 만들까? 무엇이 자전거의 바퀴를 돌게 만들까? 이런 질문들에 대한 답은 바로 "FORCE(힘)" 이야. Force는 밀거나 당기는것이고, 물건의 운동바꾸는데 필요해. 자전거의 페달에 가하는 힘은 바퀴를 돌게 하지. 차에서 운동을 일으키는 힘은 엔진이야. 

힘은 항상 Magnitude (크기)와 direction (방향)을 가져. 힘은 물체를 움직이게 할 수 있어 혹은 움직이는 물체의 방향을 바꾸거나 속도를 높일수 있지. Movement (움직임)이 꼭 어떤 위치에서 다른 위치로 움직일 필요는 없어. 어떤 물체의 모양을 바꿀수도 있어. 빈 소다 캔 을 쭈그러질때까지 꽉 쥔다고 생각해봐. 재활용 박스에 캔을 던지지 않았지만 넌 이러한 형태의 변형을 통해 운동을 일으켰어. 

Net Force (알짜 힘)

때떄로 물체를 움직이는 힘이상의 무언가가 있어. 예를 들어 네가 냉동실에 자석을 당겼을때, 그곳에는 두개의 힘이 있어. 자석의 힘은 냉동실에 자석을 당기는 힘과 네가 자석을 떼어내려고 하는 힘이 있지. 이 모든 힘들의 결합을 Net force라고 불러. 이 net force는 물체에 가해지는 모든 힘들을 더해 계산할 수 있어. 

속도와 가속도와 같은 힘은 방향이 있어. 그래서 순 힘을 계산하려면 넌 방향을 고려해야해. 만약 이 힘에 같은 방향이라면 넌 그 힘들을 더해야 해. 반대로 힘들이 반대 방향에 있으면 넌 그힘들을 빼야 해. 

Isaac Newton 

속도와 가속도

Isaac Newton (아이작 뉴턴)은 힘을 발견했어. 그래서 측정의 단위에 뉴턴의 이름을 붙였지. 힘의 단위는 뉴턴(N)이야. 1 뉴턴은 1kg의 물체를 가속하는데 필요한 힘을 말해. 사실, 사과를 당기는 중력의 힘에 대항해서 사과를 붙잡기 위해선 약 약 1N이 필요해.

Force and Motion (힘과 운동)

아이작 뉴턴은 이 모든 힘과 운동을 알아냈어 그리고 그는 운동법칙을 설명했지 

뉴턴의 첫번째 운동 법칙 - 관성의 법칙 (Law of Inertia)

물체의 운동은 운동상태로 남아있을 것이고, 정지되어 있는 물체는 물체에 순 힘이 작용하지 않는한 정지 상태로 남을 것이다. 

예를 들어, 축구공이 운동장에 놓여있다고 해보자. 이 공에 어떤 외부의 힘 예를 들면 발로 차는 동작들이 작용하지 않는한 축구공은 움직이지 않고 그곳에 있을꺼야. 공이 운동상태가 되면 이 공은 외부의 힘이 작용하지 않는한, 계속해서 운동 상태를 유지하지. 이 외부의 힘은 잔디와 공사이의 마찰력공기의 저항, 중력 혹은 축구선수가 볼을 멈추게 하는 동작등을 말해. 다른 말로 말하자면, 만약 네가 공을 우주로 차서 날려보낸다면, 이 공은 멈추지 않고 계속해서 날아가게 될거야. (다른 별의 중력을 받거나 행성들이 궤도를 바꾸거나 할때까지) 

뉴턴의 운동법칙

Inertia and Momentum (관성 과 모멘텀) 

물체는 그것이 하고 있는 것을 바꾸고 싶어하지 않아. 물체가 운동중에 있으면 운동상태로 있고 싶어해. 그리고 그렇지 않은 정지된 상태라면 이건 계속해서 정지된 상태로 있길 바래. Inertia (관성)은 물체의 운동을 바꾸려는 저항이야. 물체는 외부의 힘이 작용하지 않는한 멈춰있거나 계속적으로 움직일거야. 이것이 바로 뉴턴의 첫번째 법칙 "관성의 법칙" 이야. 질량이 무거울수록 큰 관성을 가져. 테니스 볼과 농구공을 잡는다고 생각해봐. 두 공이 같은 속도로 날아온다면 테니스 볼을 멈추는게 농구공을 멈추는것보다 쉬울거야 왜냐하면 농구공이 테니스공보다 무게가 더 나가니까. 

모멘텀(Momentum)은 모멘텀은 물체의 관성을 변경하는 것이 얼마나 어려운지 측정해. 다음의 공식으로 계산할 수 있어.

 

※ 모멘텀 (Momentum) 

모멘텀은 물체가 한 방향으로 지속적으로 변동하려는 경향. 본래 물리학 용어로 동력을 말하며, 추진력·여세·타성 이라고 한다. 기하학에서는 곡선위에 있는 한 점의 기울기를 나타낸다.  <출처: 두산백과>

 

Conservation of Momentum (운동량 보존)

충돌 중에 에너지가 손실되지 않으면 (마찰이나 열을 통해) 충돌 전후 ​​물체 그룹의 운동량은 동일해. 예를 들어, 네가 당구를 칠때 큐볼의 운동량은 타격하는 볼로 전달되고 시스템의 운동량은 일정하게 유지돼. (충돌 할 때 열로 전달되는 약간의 에너지 제외). 운동량 보존 법칙은 물체가 충돌하기 전과 후의 질량과 속도를 예측하는 데 사용할 수 있어.

Newton's second law of motion (뉴턴의 두번째 운동 법칙) - 가속도 법칙

Newton's Second Law of Motion : 물체의 가속은 Mass(물체의 질량)으로 나누어지는 Net force (알짜힘)과 같다. 

뉴턴의 두번째 법칙은 기본적으로 물체에 더 많은 힘이 가해졌을때, 더 빨리 가속될 것을 설명해. 이 말은 물체의 무게가 더 나갈 수록 가속을 하기 위해 더 많은 힘이 필요하다는 말이기도 해. 힘과 가속의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있어.

 또한 위의 식은 아래와 같이 바꿔서 표현할 수도 있지. 

쇼핑카를 미는 것과 자동차를 미는 것을 생각해봐. 만약 네가 같은 힘을 줘서 민다면, 쇼핑카트는 멀리 밀려나겠지만, 차는 움직이지 않을거야. 같은 힘을 주었을때, 큰 질량을 가진 물체는 가속이 조금만 되겠지.  

힘은 어떤 것이 빨라 지거나 느려지게 하는 원인이 돼. 이게 네가 어떤 일이 일어날지를 얘기할수 있는 거야;

알짜 힘과 그로 인한 가속도는 속도와 같은 방향으로 진행될때 속도가 가속돼. 

알짜 힘이 속도와 반대 방향으로 진행될때 감속이 되지. 

자전거를 타는데 바람이 네가 가는 방향으로 불고 있다고 생각해봐, 그럼 넌 그 힘의 도움으로 쉽게 더 빨리 앞으로 갈 수 있을거야. 반대로 바람이 너를 향해 불고 있다고 생각해봐. 넌 그 바람의 힘과 반대되는 방향으로 가야 하고, 속도는 감속이 될 거야. 

가속도는 힘과 관계가 있어. 왜냐면 속도는 운동이고 힘은 운동을 유발하니까. 

속도와 가속도

불균형 힘은 한 방향으로 순 힘을 가져	균형 잡힌 힘은 서로 상쇄되므로 작용하는 힘이 없어.

균형과 불균형

Newton's third law of motion (뉴턴의 3번째 운동 법칙) - 작용 반작용의 법칙 (Action - Reaction)

뉴턴의 3번째 운동법칙 : 모든 힘은 쌍으로 작용해. 모든 행동에 대해 같지만, 반대되는 반응이 있어.

볼링볼을 가슴에 들고 있다가 앞으로 던진다고 상상해보자. 넌 몇발작을 앞으로 밀 수 있을거야, 하지만 또한 그러면서 너는 뒤로도 밀릴거야. 뉴턴의 제 3 법칙은 동일한 크기의 힘에 대해 반대되는 동일한 힘이 있다는 거야. 

볼링 공에 힘의 크기는 너의 몸에 힘의 크기와 같아. 볼링공의 힘의 방향(앞)은 너의 몸의 힘의 방향과 반대(뒤)야.

한쌍의 힘은 Action - Reaction (작용 - 반작용)의 쌍이라고 불려 그리고 그것들은 같은 힘이지만 반대 방향으로 작용해. 네가 트램폴린에 섰을때 힘을 주지 그럼 트램폴린도 반대방향으로 너에게 힘을 내보내 그 힘이 너를 공중으로 올리는거야. 

뉴턴의 제 3법칙은 달리는 것에도 적용할 수 있어. 네가 땅을 박찼을때, 너는 힘을 지구에게 내보내지, 그럼 지구는 같은 하지만 반대의 방향으로 너에게 같은 힘을 내보내 그 힘으로 너를 앞으로 밀어주지. 네가 지구에 힘을 보내면 왜 지구는 움직이지 않을까? 뉴턴의 제 2법칙 (관성의 법칙)을 생각해보렴. "물체의 가속도는 물체의 알짜 힘을 물체의 질량으로 나누는 것과 같다" 가 관성의 법칙이지. 지구는 우리에 비해 어마어마하게 큰 질량을 가졌기 때문에 우리에게 가속을 주는 같은 힘이 지구에게는 큰 영향을 주지 못하는 거야. (하지만 그 힘이 없는건 아니란다. ) 

<출처 : Everything you need to ace Science in one big fat notebook>