뉴턴의 3가지 운동법칙(Low of Motion) 이란?
세상에서 발생하는 모든 물리현상 본질을 인간이 모두 이해하기는 어렵니다. 하지만 수세기를 걸쳐 인류는 자연계에서 발생하는 물리현상을 이해하기 위한 노력을 기울여 왔다. 뉴턴의 운동 3법칙은 수세기를 걸친 일류의 노력에 대한 결과물이라고 할 수 있다. 본문에서는 이런 뉴턴의 운동 3법칙에 대하여 그 이론과 응용 분야에 대하여 자세히 알아보겠다.
목차
뉴턴의 운동법칙
지구상의 모든 물리현상을 보면 모든 것이 움직인다. 바람에 나뭇잎이 움직이고 높은 곳에 있던 바위가 굴러 떨어지고, 운동장의 아이가 찬 공이 하늘 위로 날아가고 하늘에는 비행기가 날아다니다. 이런 모든 움직임, 운동(Motion)에는 본질적인 의미가 있다. 이런 물체의 움직임의 본질을 설명하기 위해 아이작 뉴턴(Issac Newton, 1642-1727)이 1687년 지구상의 모든 물체와 우주의 천체들은 운동의 3법칙에 따라 운동한다라는 이론을 그의 유명저서인 [프린키피아]에 저술하게 된다. 여기서 운동의 3법칙을 1법칙 관성의 법칙, 2법칙 가속도의 법칙, 3법칙 작용과 반작용의 법칙으로 나누어 설명하게 된다.
뉴턴의 제1운동법칙(관성의 법칙)과 응용
뉴턴의 운동 제1법칙은 관성의 법칙으로써 물체의 정지상태와 운동 상태에 대하여 설명하기 위한 법칙이다. 이론적인 정의로는 "정지 상태에 있는 물체는 그 상태를 유지하며, 등속 운동 중인 물체는 외부 힘이 작용하지 않는 한 등속도로 계속 운동한다." 다른 말로, 외부 힘이 작용하지 않는 한 물체는 운동 상태를 유지합니다 (정지 또는 일정한 속도로 직선 운동). 날아가는 화살은 공기의 저항을 받지 않는다면 속도가 변화하지 않고 영구히 날아갈 수 있다는 이야기이다. 이러한 사실은 진공과 무중력상태인 우주공간에서 입증될 수 있다.
우리가 실생활에서 관성의 법칙을 경험할 수 있는 경험은 차를 운전하다가 갑작스럽게 멈추면, 몸은 관성 때문에 앞으로 이동하려는 경향이 있습니다. 마찬가지로, 운행 중인 차량이 급한 커브를 돌 때 승객들은 외부로 밀려나는 힘을 경험합니다.
뉴턴의 제2운동법칙(가속도 법칙)과 응용
뉴턴의 운동 제2법칙은 가속도의 법칙으로써 운동한고 있는 물체의 힘과 가속도, 질량에 대한 관계를 설명하는 법칙이다. 이론적인 정의로는 "물체의 가속도는 그에 작용하는 힘비례하고, 질량에 반비례한다."이고수학적으로는 F = ma로 표현됩니다. 여기서 F는 물체에 작용하는 힘, m은 질량, a는 생성된 가속도를 나타냅니다. 이처럼 동일한 에너지(힘)를 투입하였을 때 질량 크면 천천히 움직이고 총알처럼 질량이 작으면 속도가 빨라진다.
실생활에서 경험되는 이 법칙은 힘이 물체의 운동에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 중요합니다. 예를 들어, 같은 힘으로 쇼핑카트를 밀어도, 더 가벼운 카트는 질량이 더 무거운 카트보다 더 큰 가속도를 얻습니다. 이 법칙은 또한 대량적인 물체를 가속하는 것이 가벼운 물체를 가속하는 것보다 어렵다는 것을 설명합니다.
뉴턴의 제3운동법칙(작용과 반작용 법칙)과 응용
뉴턴의 운동 제2법칙은 작용과 반작용 법칙으로써 현대 사회에서 자동차, 비행기, 선박들이 움직이는 기초이론이다. 이론적인 정의로는 "작용과 반작용은 크기가 같고 방향이 반대인 힘으로 나타난다." 이 말을 좀 더 쉽게 풀어 서명하면 한 물체가 다른 물체에 힘을 가할 때, 두 번째 물체는 동시에 같은 크기이지만 반대 방향의 힘을 가해진다.
이 법칙은 물체들이 서로 상호작용하는 방식을 설명합니다. 예를 들어, 사람이 배에서 뛰어서 땅에 착지하면 배는 반대로 움직입니다. 이는 사람이 배에서 떨어지는 동작이 반작용을 일으키기 때문입니다. 이 법칙들은 운동하는 물체의 행동을 이해하는 데 기본적이며, 간단한 일상 활동부터 복잡한 기계 시스템까지 다양한 상황에 적용됩니다. 이는 고전 역학의 기초를 형성하며, 여전히 물체와 시스템의 운동을 분석하고 예측하는 데 광범위하게 사용됩니다.
뉴턴의 3가지 운동법칙은 향우 케플러의 법칙을 설명하는데 큰 역할을 하였다. 이로써 태양중심설에 대한 의심을 종식 시키면 인류사에 있어 큰 역활을 하게 되다. 뿐만 아이라 뉴턴의 저서인 [프린키피아]를 통해 많은 과학자들에게 영감을 주며 근대과학의 기초가 되었다.
'과학기술' 카테고리의 다른 글
| 화성 테라폼밍 : 인류의 다음 도전 (42) | 2023.12.31 |
|---|---|
| 허블 망원경: 우주 탐사의 대표적인 보물 (1) | 2023.12.31 |
| 과학기술, 보이저계획과 우주의 척후병 보이저 1호 (1) | 2023.05.06 |
| 미래 우주시대의 개척자 스페이스(Space) X (1) | 2023.05.01 |
| 과학기술, 제임스웹 망원경 (0) | 2023.03.28 |
댓글