뉴턴의 제1 및 제2 운동법칙

뉴턴의 제1법칙
물체에 힘이 작용하지 않으면 물체의 속도는 변하지 않는다. 즉, 물체는 가속되지 않는다.
(= 물체에 작용한 알짜힘이 0이면 물체의 속도는 변하지 않는다.)

힘의 단위: 1kg의 표준 물체를 마찰이 없는 수평면 위에 놓고 잡아 당겨 이 물체가 1m/s^2의 가속도를 가질 때 표준 물체에 작용한 힘이 1N
1N = (1kg)(1m/s^2) = 1kg*m/s^2

물체에 둘 혹은 그 이상의 힘이 작용하면 힘들의 벡터합을 구해서 알짜힘을 얻는다(힘의 중첩원리).

관성기준틀이란 뉴턴의 법칙이 적용되는 기준틀이다.
ex. 지구의 자전과 같은 천체운동을 무시한다면 지면을 관성기준틀로 가정할 수 있다.
참고 영상: https://www.youtube.com/watch?v=wD7C4V9smG4

물체의 질량: 어떤 물체에 작용하는 힘과 그 결과로 생기는 가속도를 연관시켜주는 물리적 특성, 가속도는 질량에 반비례한다.

뉴턴의 제2법칙
물체에 작용한 알짜힘은 물체의 질량과 가속도의 곱과 같다. (F=ma)

계는 한 개 이상의 물체로 구성되어 있으며 계의 외부에서 계에 작용하는 힘을 외부력이라고 한다. 만약 물체들이 서로 단단하게 붙어 있다면, 이 계를 하나의 물체로 간주하며 알짜힘은 모든 외력의 합이 된다. 계의 경우에도 알짜 외력과 가속도의 관계를 뉴턴의 제2법칙을 이용해서 풀 수 있다(m는 계의 총질량).

특별한 힘

중력
물체에 작용하는 중력은 제2의 다른 물체로 향하여 끌리는 힘을 말한다. 보통 제2의 물체로 지구를 상정하며, 따라서 유일하게 물체에 작용하는 중력은 지구 중심으로 끌리는 힘을 의미한다.

질량 m의 물체가 일정한 크기의 가속도 g로 자유낙하하는 경우를 생각해 보자. 만약 공기의 저항을 무시한다면 물체에 작용하는 힘은 단지 중력뿐이다. 여기서 뉴턴의 제2법칙을 사용하면

물체가 자유낙하를 하지 않더라도 같은 크기의 중력이 수평 테이블 위에 멈춰 있거나 그 위를 움직이는 물체에도 작용한다.

무게
물체의 무게 W는 물체가 자유낙하를 하지 못하도록 물체에 작용하는 알짜힘으로 지상에서 측정한 값이다. 물체에 작용하는 중력과 균형을 유지하기 위해 같은 크기 만큼의 위 방향의 힘이 필요하며, 그것을 물체의 무게라고 말한다.

지면에 대한 가속도가 0인 물체에 뉴턴의 제2법칙을 사용하면

물체의 무게는 물체가 지면에 대해 수직으로 가속하지 않는 경우에 측정해야 한다. 가속되는 승강기 안에서 무게를 측정하면 빨리 달리는 기차 안에서 측정한 무게와 다른 값이 나오고, 이와 같이 가속되는 틀에서 측정한 무게를 겉보기 무게라 한다.

수직력
물체가 다른 표면에 압력을 가하면 그 표면은 변형이 되며 표면에 직각인 수직력 Fn으로 물체를 밀어낸다.

마찰력
바닥에서 물체를 밀면 물체와 바닥과의 접촉에 의해 저항을 받는데, 이러한 저항을 마찰력이라 한다. 마찰력은 물체가 움직이려는 방향과 반대 방향으로, 그리고 바닥 면에 평행하게 작용한다.

장력
물체에 연결된 줄을 팽팽히 잡아당기면 줄은 물체에서 멀어지려는 방향으로 줄을 따라 힘 T로 물체를 잡아당긴다. 이때 줄이 팽팽히 당겨진 긴장상태에 있기 때문에 이러한 힘을 장력이라 한다. 줄에 걸린 장력은 물체에 작용하는 힘의 크기 T와 같다.

보통은 줄의 질량을 매달린 물체의 질량에 비해서 무시하며 줄이 늘어나지 않는다고 가정한다.

뉴턴의 법칙 응용

뉴턴의 제3법칙
두 물체가 상호작용할 때 서로에게 작용하는 힘은 항상 크기가 같고 방향이 반대이다.
상호작용하는 두 물체 사이의 힘을 제3법칙의 짝힘이라 한다. 제3법칙은 물체가 움직이는 경우뿐만 아니라 가속되는 경우에도 적용된다.