[일반물리학1][2장]운동의 법칙

힘

질량m의 물체가 가속도가 a일때 이 물체에는 am의 힘이 적용되고 있다고 말한다.즉 힘 F = am이다.만약 물체에 여러 방향으로의 힘이 동시에 작용한다면 그 벡터들을 모두합쳐진 알짜힘이 최종적으로 작용하게된다.보통 알짜힘은 시그마F로 표현한다.

뉴턴의 제 1법칙 : 관성의 법칙

어떤 물체에 아무런 외부힘이 주어지지 않는다면 물체는 현재의 운동상태를 유지한다. 즉 속도의 변화가 없다. 즉 가속도가 없다.

관측 기준으로 말하면 관성틀(가속도가 없는 관측자)가 어떤 물체를 관측할 때 그 물체에 외부힘이 적용되지 않으면 가속도가 관측되지않는다.

 

뉴턴의 제 2법칙 : 가속도의 법칙

 F = am

 

뉴턴의 제 3법칙 : 작용과 반작용의 법칙

 어떠한 물체가 어떠한 원인(접촉,자기력 등)에 의해 다른 물체에 힘을 가하면 자신 역시 그와 같은 크기에 반대 방향의 힘을 받게 된다는 법칙이다. 즉 힘을 주고 받는 두 물체에 대해 일어나는 법칙이다.

물체A가 물체B에 부딪혀 F의 힘을 B에 주었다면 그에 반대되는 힘을 A가 받게된다.지구가 물체A를 중력으로 Fg로 끈다면 물체A역시 지구를 반대의 힘으로 끌게 된다. 하지만 지구의 질량이 어마무시하므로 극히 조금만 움직일 것이다. 보통 모형에서는 이러한 운동은 무시한다.

 

질량과 무게

어떤 물체에 힘이 주어졌을때의 가속도는 a=F/m이다. 여기서 m은 물체의 질량으로 고정된 값이다.

그에 비해 무게는 어떠한 위치에서 중력에 의해 발생하는 힘으로 위치에 따라 달라진다.

즉 w = gm이다.

이때 가속도에 대한 저항으로의 관점에서 어떠한 물체의 고유한 특성인 질량을 관성질량이라하고

중력가속도에 대한 계수로써의 관점에서 어떠한 물체의 고유한 특성인 질량을 중력질량이라고 한다.

신기하게도 이 둘은 동일한 값을 가지고 이를 통틀어 질량이라고 부르는 것이다.

 

수직항력

수직항력은 간단한 모형에서는 다음과 같이 생각할 수 있다.

모형상 고정된 물체A에 물체B가 접촉한 상태로 접촉면의 수직방향으로 F의 힘을 받고 있다면(물체B가!) 물체B에 그 반대에 해당하는 수직항력T가 발생한다. 이는 F에 대한 반작용이 아니라 물체A가 자신의 형태를 유지하려고 물체B에 새롭게 발생시키는 힘이므로 헷갈리지말자. 이에 대한 반작용을 물체A가 받는다. 하지만 보통 모형상 고정되있으므로 해당 힘은 고정된 형태들에 퍼져나가 사라진것처럼 보일 것이다.

 

장력

줄이 어떠한 물체를 당기는 힘이다. 즉 줄이 물체에게 가하는 힘이다. 수직항력과 비슷하게 줄이 자신의 원자들의 상대적거리를 유지하기 위해 발생시키는 힘으로 간단한 모형에서는 누가 물체를 줄에 묶고 줄을 당겼을때 물체에 그대로 전달되는 힘을 말하거나 물체가 줄이 팽팽한 상태에서 반대로 가한 힘에 대해 가속도를 0으로 만들기 위해 반대로 같은 크기로 작용하는 힘으로 나타난다. 마찬가지로 이에 대한 반작용이 줄에 발생한다. 

 

마찰력

마찰력은 간단한 모형에서는 표면이 맞붙어있으며 수직항력이 발생하는 두 물체가 있을때 한 물체가 표면에 평행방향으로 이동하는 것에 발생하는 저항하는 힘이다. 

마찰력 크기는 맞붙어있는 두 표면의 쌍특성인 정지 마찰 계수 u_s와 운동 마찰 계수 u_k로 정해진다.

물체가 정지해있는 상태에서 물체에 평행 힘을 가하면 물체는 그에 반대 방향에 같은 힘의 마찰력을 낸다. 이때 마찰력의 최대 크기는 최대 정지 마찰력 f_s,max = u_sn (여기서 n은 수직항력크기)이다.

즉 최대 정지 마찰력 이하의 힘일땐 물체는 움직이지 않으며 이를 넘는 힘이면 물체가 움직이기 시작한다.

물체가 움직이고 있는 상태에서 물체에 평행 힘을 가하면 물체는 그에 반대 방향에 f_k = u_kn크기의 마찰력을 낸다. 힘이 이 크기와 같다면 가속도0으로 운동을 유지하고, 높다면 빨라지고 낮으면 점점 속력이 준다. 사실 정확히는 u_k는 물체의 속력에 따라 달라지지만 전반적으로 거의 동일하기에 간단한 모형에서는 고정된 상수 u_k를 사용하여 간단히 계산한다.