관성의 법칙-뉴턴의 제1법칙

뉴턴의 운동법칙 중에서 제1법칙이 무엇일까요?

바로 '관성의 법칙'입니다.

지금부터 관성의 법칙에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

1. 관성의 법칙이란?

관성의 법칙 공식

관성의 법칙이란

힘이 가해져 물체의 상태가 변하지 않는 한, 모든 물체는 정지해 있거나 등속직선운동을 하는 상태를 유지한다는 것을 말합니다.

2. 관성의 법칙 내용 및 특징

힘은 물체의 운동을 변화시키는 근원이기 때문에, 알짜힘(합력)이 없다면 물체의 운동 역시 변화하지 않습니다.

좀더 간단하고 쉽게 말하면,

'내버려두면 그냥 하던 대로 한다.' 라고 말할 수 있습니다.

이 개념을 더 정확하게 이해하기 위해서는 다음과 같은 질문을 생각해 볼 수 있습니다.

만일, 자동차가 급커브를 돌고 있다면 자동차 내부의 탑승자는 힘을 받는 것일까요?

자동차가 급커브를 돌게 되면 탑승자는 몸이 한쪽으로 쏠리게 됩니다. 만약 탑승자가 외부를 관찰할 수 없다면 탑승자는 힘을 받았다고 판단할 것입니다. 하지만 외부에서 관찰하는 사람은 탑승자는 본래의 직선운동을 지속하려 하지만, 차가 급커브를 돌면서 차체가 탑승자에게 힘을 가하여 탑승자의 운동방향을 바꾸는 것을 보게 됩니다.

탑승자가 주는 힘과 차체가 탑승자에게 가하는 힘은 크기는 같지만 서로 방향은 반대입니다. 이 경우 탑승자가 경험하는 힘과 차체가 탑승자에게 가하는 힘 중 어느 것을 힘이라 해석해야 할까요?

이러한 혼란은 탑승자가 정지한 계가 등속계가 아니기 때문에 발생합니다.

이렇게 가속하는 계를 <비관성계>라 부르며, <비관성계>의 물체는 겉보기힘(fictitious force)을 받게 됩니다.

이 <비관성계>에 있는 물체는 가속하는 동안에도 원래의 운동 상태를 유지하려고 하는데, 이를 가능하게 해 주는 힘이 바로 관성력인 것입니다.

관성력은 실제로 존재하지 않는 힘입니다. 그래서 관성력은 겉보기 힘이고 물체의 운동 방향과 반대 방향으로 작용하는 경향이 있는 것입니다.

코너를 도는 자동차 안의 탑승자가 경험하는 힘은 바로 이 관성력인 겉보기힘입니다.

겉보기힘의 대표적인 예는 원심력과 전향력이 있으며, 겉보기힘에 대한 개념이 확실하지 않으면 구심력과 원심력을 혼동하게 되니 주의해야 합니다.

실제로 뉴턴 제1법칙의 핵심은 겉보기힘이 작용하지 않을 조건을 말해준다는 것인데요.

제1법칙은 단순히 제2법칙인 F=ma에 F=0를 대입해서 얻을 수 있는 공식이 아닙니다.

제1법칙이 성립하는 것은 제2법칙이 성립할 필요조건입니다.

위의 예시와 같이 자동차 안에 있는 탑승자는 겉보기힘에 의해서 실제로 작용하는 힘이 없어도 가속도를 경험하게 됩니다. 즉, 제2법칙이 성립하지 않습니다.

하지만 어떤 계에서 제1법칙이 성립한다면 제2법칙이 성립할 수 있습니다. 즉, 제1법칙이 성립한다는 것은 그 계가 관성계라는 것을 의미하므로, 제1법칙의 의의는 결국 관성계를 정의해주는 것에 있다고 할 수 있습니다.

관용적으로는 그냥 하던 대로 하는 것을 일컫는 말로도 쓰입니다.

이상으로 나무위키에서 참고한 관성의 법칙에 대한 포스팅을 마치겠습니다.