뉴턴의 제 1법칙과 제3법칙

[손님]

관성이란 물체가 가진 현재의 운동상태를 그대로 유지하려는 성질입니다.물체가 가속도 운동을 하려고 할 때, 이 물체는 가속도 운동 방향의 반대방향으로 관성에 의한 관성력을 받게 됩니다. 이 관성력의 크기는 물체계의 가속도와 물체계 속에 있는 그 물체의 질량을 곱한 값이며, 가속도와 정반대 방향이 됩니다.

작용반작용이란 물체 A가 물체 B에 힘을 가할 때, 물체 A가 물체 B에 가하는 힘을 작용이라고 할 때, 물체 B가 물체 A를 같은 크기로 미는 힘을 반작용이라고 합니다. 작용과 반작용은 항상 같이 나타나며, 그 크기는 같고 방향은 정반대이며, 서로 다른 물체에 힘의 작용점이 있습니다.

관성의 법칙에 의한 현상의 예

1) 버스가 정지 상태에서 앞으로 출발하려고 할 때

물체계인 버스는 버스가 나아가려는 앞방향으로 가속운동을 시작합니다.그러면, 물체계인 버스 속에 타고 있는 물체인 승객은 버스의 가속도 방향과 반대 방향으로 관성력이 작용합니다.그 관성력의 크기는 물체인 승객의 질량과 물체계인 버스의 가속도를 곱한 값이며, 방향은 가속운동의 정반대입니다.이 현상이 관성에 의한 현상이 되는 이유는 물체인 승객은 물체계인 버스와 같이 정지하고 있었는데, 버스가 갑자기 앞으로 출발을 하게 되면 물체인 승객은 정지상태를 계속 유지하려고 하므로 뒤로 몸이 쏠리게 됩니다.

2) 버스가 앞으로 달려가는 운동을 하다가 갑자기 정지하려고 할 때

물체계인 버스가 운동을 하고 있으므로, 그 안에 타고 있던 승객은 버스와 같은 방향, 같은 속도로 운동을 하고 있는데, 버스가 갑자기 정지를 하게 되면 승객은 처음 버스가 가는 방향, 같은 속도로 계속 운동을 하려고 하므로 몸이 앞으로 쏠리게 됩니다.

3) 엘리베이터를 탔을 때 정지 상태에서 위로 올라가려는 경우

물체인 승객은 물체계인 엘리베이터와 함께 처음에는 정지를 하고 있는 상태인데, 물체계인 엘리베이터가 위로 운동을 시작하게 되면 그 안에 타고 있는 물체인 승객은 처음 상태를 계속 유지를 하려고 하므로 처음의 정지상태를 그대로 유지하려는 관성에 의해 아래방향으로 관성력을 받게 됩니다. 그러므로, 정지상태에서 위로 올라가려는 경우 승객은 자신의 체중에 관성력을 더한 힘을 받게 됩니다. 즉, 승객이 느끼는 체중이 증가하게 됩니다.

4) 엘리베이터를 타고 위로 올라가다가 정지하려고 하는 경우

물체인 승객은 물체계인 엘리베이터와 함께 위로 올라가고 있습니다. 이 때는 등속운동이므로 가속도가 존재하지 않아서 승객은 자신의 체중만큼의 힘만 느끼고 있습니다. 그런데 정지를 하려고 하면 속력이 점차 줄어들므로, 속력이 줄어드는 경우는 운동방향과 반대방향으로 가속도가 작용한다는 뜻입니다. 그래서, 엘리베이터의 속력이 점점 줄어들고 있을 때, 승객은 윗방향으로 처음의 운동상태를 유지하려고 하므로 윗방향으로 관성력을 받게 됩니다. 그래서 이 경우는 승객은 아랫방향으로 작용하는 자신의 중력에서 윗방향으로 작용하는 관성력을 뺀 만큼의 힘을 느끼게 됩니다. 즉, 체중이 감소하는 것을 느끼게 됩니다.

5) 엘리베이트를 탔을 때 정지 상태에서 아래로 내려가려는 경우

물체인 승객은 물체계인 엘리베이터와 함께 처음에는 정지를 하고 있었는데, 물체계인 엘리베이터가 아랫방향으로 운동을 시작하게 되면 물체인 승객은 처음처럼 계속 정지하려고 하므로 윗방향으로 관성력을 받습니다. 즉, 위 4)번의 경우와 마찬가지로 체중이 감소하는 것을 느낍니다.

6) 엘리베이트를 타고 아래로 내려오다가 정지하려는 경우

물체인 승객은 물체계인 엘리베이터와 함께 아래로 내려오는데 엘리베이터가 정지하려고 속력을 줄이게 되면 물체인 승객은 처음처럼 아래로 계속 내려오려는 관성에 의해 아랫방향으로 관성력을 받습니다. 그러면 물체인 승객은 자신의 중력에다가 관성력을 더한 힘을 받게 됩니다. 즉, 자신의 체중이 증가하는 것을 느낍니다.

7) 앞으로 뛰어가다가 돌에 걸렸을 때

앞으로 뛰어가다가 발이 돌에 걸립니다. 그러면 발은 즉시 멈추게 되지만 몸 전체는 앞으로 계속 나아가려고 하므로 앞으로 넘어지게 됩니다.

작용반작용의 법칙에 의한 현상의 예

1) 로켓이 앞으로 날아갈 때

로켓은 일정한 힘으로 가스를 뒤로 분출합니다. 이 가스를 분출하는 힘이 작용이라고 할 때, 반작용은 가스가 로켓을 미는 힘입니다. 이 힘에 의해 로켓은 앞으로 나아갈 수 있습니다.

2) 무중력 상태에서 우주인이 어떤 방향으로 가려고 할 때

이 경우에는 우주인이 자신이 가고자 하는 정반대방향으로 가스를 내뿜습니다. 이 가스를 내뿜는 힘이 작용이라고 할 때, 가스가 뿜어져 나오면서 우주인을 반대방향으로 밀게 됩니다. 이 힘이 반작용이 되어서 우주인은 자신이 가고자 하는 방향으로 갈 수 있습니다.

3) 배를 탔을 때 노를 저어서 앞으로 나아갈 때

노를 저을 때는 노에 힘을 가해서 어느 정도 크기의 힘을 노에 작용해서 노를 이용해 물을 뒷방향으로 밀어내게 됩니다. 이 힘을 작용이라고 할 때, 반작용은 밀어내어지는 물이 노에 작용하는 힘입니다. 이 힘에 의해 배는 앞으로 나아갈 수 있습니다.

4) 두 사람이 서로 마주보면서 서로를 밀 때

어른이 아이를 어떤 힘으로 밀게 되면 그에 대한 반작용으로 아이도 어른을 밀게 됩니다.

5) 지구와 달 사이에서 작용하는 만유인력

질량을 가진 물체 사이에서 작용하는 힘을 만유인력이라고 합니다. 지구가 어떤 힘으로 달을 잡아당기는 힘을 작용이라고 하면, 달이 똑같은 힘으로 지구를 잡아당깁니다.

6) 사과가 떨어질 때

사과가 떨어질 때는 지구가 사과를 잡아당기는 중력이 존재합니다. 이 중력을 작용이라고 하면, 사과가 지구를 잡아당기는 힘이 반작용이 됩니다. 즉, 지구와 사과는 서로를 향해 가속운동을 하게 됩니다. 이때 지구가 사과를 잡아당기는 힘이나 사과가 지구를 잡아당기는 힘은 작용-반작용의 관계로 그 힘의 크기가 동일합니다. 그런데, 지구의 질량이 사과에 비해서 매우매우 대단히 크기 때문에 뉴턴의 운동 제2법칙인 가속도의 법칙에 의해 가속도 a는 a=F/m이므로 지구의 가속도는 무시할 수 있을 정도로 작지만, 사과의 가속도는 아주 크게 나타납니다. 그래서 사과의 운동이 두드러지게 나타나게 됩니다.