1. 갈릴레이의 사고실험
1) 아래 그림과 같이 마찰을 무시할 수 있는 빗면 AB의 일정 높이에서 미끄러진 물체는(구르지 않는다고 가정), 속력이 점점 빨라지다가 CD면을 오르면서 속도가 느려진다.2) CD빗면에서 속도가 계속 줄다가 처음 떨어지던 높이와 같은 높이에서 물체는 멈추게 된다.3) CD빗면의 기울기를 더 작게 하면, 공이 빗면을 오르는 거리는 더 길어지지만 높이는 변함이 없다.4) CD빗면의 기울기를 수평면으로 만들면, 오르는 거리가 무한대가 되어 버리며 속도의 변화를 갖지 않는다.
갈릴레이 사고실험 <참고> 갈릴레이 사고 실험의 X화일 갈릴레이는 과학자이기 전에 철학자였다. 그의 기본 사고 중에는 지구상이나 천체상의 물체들이 원운동을 하는 것은 자연운동이라는 것이 밑바닥에 깔려있었다. 갈릴레이는 지구가 둥글다는 것으로 믿고 있었으므로, 수평면을 통한 운동이 계속 이어진다는 것은 지구 둘레를 도는 원운동이 된다고 생각한 것이다. 따라서 자연운동을 하는 공의 운동 상태는 변하지 않는다고 생각한 것이다. 2. 관성의 법칙 1) 관성(inertia) : 물체에 힘(알짜힘)이 작용하지 않을 때, 물체가 갖는 운동상태를 그대로 유지하려는 성질 ① 정지관성 : 정지해 있던 물체는 정지한 상태( 속도가 0)를 그대로 유지하려 한다. ㄱ. 신호 대기 중이었던 버스가 갑자기 출발하면서 버스 안의 사람들이 뒤로 넘어지려 한다. ㄴ. 빨래줄에 담요를 걸어놓고, 야구방망이로 쳐서 먼지를 털어낸다. ㄷ. 컵 윗면에 종이 카드를 올려놓고, 다시 카드 위에 동전을 올려 놓은 후 카드를 갑자기 빼내면 동전만 컵 안으로 빠진다. ㄹ. 위로 올라가는 엘리베이터가 출발할 때에는 마음이 가라앉는 기분이 든다, ㅁ. 얇은 실로 두꺼운 각목의 양끝을 묶어 매달아 놓은 후, 신문지를 말아 내리치면 각목이 부러진다. ㅂ. 지진 기록계의 작동 원리 ② 운동관성 : 운동하던 물체는 직선 방향으로 운동상태를 유지( 등속직선운동, 가속도가 0)하려 한다. ㄱ. 운행 중이던 버스가 장애물을 발견한 후 급제동을 하면, 사람들이 앞으로 넘어지려 한다. ㄴ. 삽으로 흙을 떠서 멀리 던진다. ㄷ. 달려가던 사람이 돌부리에 걸려 넘어진다. ㄹ. 망치 머리가 헐거우면 망치를 세워 나무 손잡이를 바닥에 내리친다. ㅁ. 급커브 길에서 자동차가 빠르게 달리면 바깥쪽의 접선방향으로 튀어나가는 사고가 발생한다. ㅂ. 날아가는 비행기에서 투하되는 폭탄은 반포물선 운동을 한다. 2) 관성의 법칙(뉴턴의 제1법칙)모든 물체는 물체에 가해진 힘에 의해서 그 상태를 변화하지 않는 한 정지 상태나 직선 상에서 일정한 운동상태를 계속한다.물체에 외력이 작용하지 않거나 알짜힘이 '0'일 때, 물체는 운동 상태가 변하지 않는다. 즉 일정한 속도로직선 운동을 계속 하거나, 정지 상태가 유지된다. 3) 관성의 법칙 예 : 세 반고리관에서 회전현상을 감지하는 것 반고리관 관성 예 ① 반고리관 외벽은 몸의 일부로 같이 회전하지만, 내부의 림프액은 정지 상태를 유지하려 한다.(정지관성) ② 이로 인해 회전방향과 반대 방향으로 섬모가 쓸리면서 회전감각을 느끼게 된다. ③ 회전이 지속되면, 외벽과 림프액의 마찰로 림프액의 회전 속도가 몸의 회전속도와 같게 된다. 섬모는 상대속도가 '0'이되어 쓸림이 없어져 회전감각을 느낄 수 없게 된다. ④ 몸이 서면서 반고리관의 외벽도 서지만, 림프액은 운동 관성으로 림프액의 방향으로 섬모가 쓸리게 된다. 따라서 몸은 회전을 멈추더라도 한동안 회전감각을 느끼게 된다. ⑤ 어느 정도의 시간이 흐르면, 외벽과 림프액의 마찰로 림프액이 멈추어 서게 되면서, 섬모의 쓸림이 사라져 회전감각을 느낄 수 없게 된다. 3. 관성과 질량 관성이 크다는 것은 외부에서 힘이 가해져도 물체의 운동상태가 쉽게 바뀌지 않는다는 것을 말한다. F=ma의 식에서 보면, 질량이 커지더라도 외부 힘에 대해 운동상태의 변화가 어려워짐을 알 수 있다. 따라서 관성과 질량은 같은 의미로 사용되어 질 수 있으며, 이 경우의 질량을 특별히 관성질량이라고 부른다. 4. 관성기준계(좌표계) 1) 뉴턴의 제1법칙이 성립되는 기준계를 관성기준계라 한다.2) 정지해 있는 기준계가 관성기준계였다면, 등속운동하고 있는 기준계도 관성기준계가 된다.3) A라는 관성기준계에서 물체 P의 운동을 관찰했을 때 가속도 a를 지니고 있었다면, 또 다른 B라는 관성 기준계에서 물체 P의 운동을 관찰해도 가속도 a를 지니게 된다.4) 물체가 등속도 운동을 하고 있다면, 관찰자의 운동상태에 따라 다르게 관측되므로, 물체가 운동을 하고 있는지 정지하고 있는지 구별이 안 된다.5) 따라서 관성의 관점에서 본다면, 등속도 운동하는 물체나 정지한 물체나 모두 운동하는 상태가 된다.
<참고> 갈릴레이 사고 실험의 X화일
갈릴레이는 과학자이기 전에 철학자였다. 그의 기본 사고 중에는 지구상이나 천체상의 물체들이 원운동을 하는 것은 자연운동이라는 것이 밑바닥에 깔려있었다. 갈릴레이는 지구가 둥글다는 것으로 믿고 있었으므로, 수평면을 통한 운동이 계속 이어진다는 것은 지구 둘레를 도는 원운동이 된다고 생각한 것이다. 따라서 자연운동을 하는 공의 운동 상태는 변하지 않는다고 생각한 것이다.
2. 관성의 법칙
1) 관성(inertia) : 물체에 힘(알짜힘)이 작용하지 않을 때, 물체가 갖는 운동상태를 그대로 유지하려는 성질
① 정지관성 : 정지해 있던 물체는 정지한 상태( 속도가 0)를 그대로 유지하려 한다. ㄱ. 신호 대기 중이었던 버스가 갑자기 출발하면서 버스 안의 사람들이 뒤로 넘어지려 한다. ㄴ. 빨래줄에 담요를 걸어놓고, 야구방망이로 쳐서 먼지를 털어낸다. ㄷ. 컵 윗면에 종이 카드를 올려놓고, 다시 카드 위에 동전을 올려 놓은 후 카드를 갑자기 빼내면 동전만 컵 안으로 빠진다. ㄹ. 위로 올라가는 엘리베이터가 출발할 때에는 마음이 가라앉는 기분이 든다, ㅁ. 얇은 실로 두꺼운 각목의 양끝을 묶어 매달아 놓은 후, 신문지를 말아 내리치면 각목이 부러진다. ㅂ. 지진 기록계의 작동 원리
② 운동관성 : 운동하던 물체는 직선 방향으로 운동상태를 유지( 등속직선운동, 가속도가 0)하려 한다. ㄱ. 운행 중이던 버스가 장애물을 발견한 후 급제동을 하면, 사람들이 앞으로 넘어지려 한다. ㄴ. 삽으로 흙을 떠서 멀리 던진다. ㄷ. 달려가던 사람이 돌부리에 걸려 넘어진다. ㄹ. 망치 머리가 헐거우면 망치를 세워 나무 손잡이를 바닥에 내리친다. ㅁ. 급커브 길에서 자동차가 빠르게 달리면 바깥쪽의 접선방향으로 튀어나가는 사고가 발생한다. ㅂ. 날아가는 비행기에서 투하되는 폭탄은 반포물선 운동을 한다.
2) 관성의 법칙(뉴턴의 제1법칙)모든 물체는 물체에 가해진 힘에 의해서 그 상태를 변화하지 않는 한 정지 상태나 직선 상에서 일정한 운동상태를 계속한다.물체에 외력이 작용하지 않거나 알짜힘이 '0'일 때, 물체는 운동 상태가 변하지 않는다. 즉 일정한 속도로직선 운동을 계속 하거나, 정지 상태가 유지된다.
3) 관성의 법칙 예 : 세 반고리관에서 회전현상을 감지하는 것
반고리관 관성 예
① 반고리관 외벽은 몸의 일부로 같이 회전하지만, 내부의 림프액은 정지 상태를 유지하려 한다.(정지관성) ② 이로 인해 회전방향과 반대 방향으로 섬모가 쓸리면서 회전감각을 느끼게 된다. ③ 회전이 지속되면, 외벽과 림프액의 마찰로 림프액의 회전 속도가 몸의 회전속도와 같게 된다. 섬모는 상대속도가 '0'이되어 쓸림이 없어져 회전감각을 느낄 수 없게 된다. ④ 몸이 서면서 반고리관의 외벽도 서지만, 림프액은 운동 관성으로 림프액의 방향으로 섬모가 쓸리게 된다. 따라서 몸은 회전을 멈추더라도 한동안 회전감각을 느끼게 된다. ⑤ 어느 정도의 시간이 흐르면, 외벽과 림프액의 마찰로 림프액이 멈추어 서게 되면서, 섬모의 쓸림이 사라져 회전감각을 느낄 수 없게 된다.
3. 관성과 질량
관성이 크다는 것은 외부에서 힘이 가해져도 물체의 운동상태가 쉽게 바뀌지 않는다는 것을 말한다. F=ma의 식에서 보면, 질량이 커지더라도 외부 힘에 대해 운동상태의 변화가 어려워짐을 알 수 있다. 따라서 관성과 질량은 같은 의미로 사용되어 질 수 있으며, 이 경우의 질량을 특별히 관성질량이라고 부른다.
4. 관성기준계(좌표계)
1) 뉴턴의 제1법칙이 성립되는 기준계를 관성기준계라 한다.2) 정지해 있는 기준계가 관성기준계였다면, 등속운동하고 있는 기준계도 관성기준계가 된다.3) A라는 관성기준계에서 물체 P의 운동을 관찰했을 때 가속도 a를 지니고 있었다면, 또 다른 B라는 관성 기준계에서 물체 P의 운동을 관찰해도 가속도 a를 지니게 된다.4) 물체가 등속도 운동을 하고 있다면, 관찰자의 운동상태에 따라 다르게 관측되므로, 물체가 운동을 하고 있는지 정지하고 있는지 구별이 안 된다.5) 따라서 관성의 관점에서 본다면, 등속도 운동하는 물체나 정지한 물체나 모두 운동하는 상태가 된다.