1 - 1 - 3. 운동의 법칙
[ 뉴턴의 제 1 법칙 /제 2 법칙 /제 3 법칙 / 관성 / 작용과 반작용]
운동의 법칙은 주로 뉴턴의 법칙을 따르고 있습니다. 우리가 사는 이 작은 지구는
우주에 떠 있는 작은 먼지에 불과할 정도로 작은 세계입니다. 이런 작은 세계에서는
뉴턴의 법칙으로 대부분의 운동을 설명할 수 있습니다. 그러나, 은하와 같이 규모가
크고 빠른 우주에서는 아인슈타인의 상대성이론을 이용해야 합니다.
자, 그러면 고전적인 뉴턴의 3 가지 법칙을 살펴 봅시다.
1) 뉴턴의 제 1법칙 ; 관성의 법칙
외부에서 힘(외력)이 가해지지 않는 한 모든
물체는 자기의 운동을 그대로 유지하려고 한다.
2) 뉴턴의 제 2법칙
가속도는 힘에 비례하고, 질량에 반비례한다.
3) 뉴턴의 제 3법칙 ; 작용과 반작용의 법칙
힘이 작용하면 반드시 같은 크기의 힘이
반대 방향으로 작용한다.(반작용)
이 세가지 법칙은 물리학의 기본 중 기본입니다. 잘 알아두세요.
우리 사람도 자기의 습관을 유지하잖아요. 밥먹기전에 양치질하는 식전파,
먹고나서 양치질하는 식후파, 드물게는 먹기전 먹고 나서 이를 닦는 양파(?).
여러분은 어디에 속하나요. 당연히 식후파겠죠. 하지만 식전파도 꽤 많아요.
3분간, 3분내로, 하루 3번 즉, 333작전을 펼쳐야 효과적인 이딱기죠. 그러나 개중에는
10분정도 빡빡 딱는 사람도 있더라고요. 피가 한 바가지 나와야 개운해하는 사람도
있더라구요. 이런 습관은 평생가도 고치기 힘듭니다. 오죽하면 세 살버릇 여든까지
간다고 했겠어요.
사람이 습관을 유지하듯이 모든 물체도 자기의 습관을 유지합니다. 유지하려는
이런 성질을 관성이라고 합니다. 따라서, 관성은 변화를 거부하는 성질입니다.
관성이 크다는 것은 변화를 잘 안한다는 뜻입니다. 관성이 작다는 것은 작은 자극에도
금방 변해 버린다는 뜻입니다.
따라서 정지한 물체는 계속 정지해있고 달리던 기차는 계속 달리는 것입니다.
버스가 갑자기 급정거하면 서 있던 사람들이 달리던 성질을 유지하기위해 (관성)
기사아저씨 옆에 까지 뛰어 나갈 수밖에 없지요. 상당히 쪽 팔리지만 관성을
이길 수가 없지요.
관성을 변화시키려면 외부에서 힘이 가해지면 됩니다. 친구가 잡아주면
뛰어나가는 창피함은 면할 수 있죠. 달리는 기차가 결국 정지하는 것은
레일이 못가도록 잡았기 때문입니다. 유식한 말로 기차와 레일의 마찰력
때문이라고 합니다. 결국 마찰력이란 힘이 작용했기에 멈추는 것이죠.
외력이 존재해야만 관성이 더 이상 작용못하는 것입니다.
관성은 우주 삼라만상이 자기의 모습을 유지하려는 본능입니다. 관성이
없다면 약간의 자극에도 인간의 사회제도는 허물어 질 것입니다. 죽끓듯이
매일 매일 버스 노선이 달라진다면 헷갈려 살 수가 없습니다.
마찬가지로 약간의 힘에도 버티지 못하고 물체가 허물어 진다면 벽에
기댈 수 있을까요. 두 발로 땅을 디딜 수도 없을 것입니다.
약간의 고집(관성)이 있어야 사회나 물체가 존재할 수 있는 것입니다.
따라서 급격한 변화는 엄청난 혼란을 부릅니다. 서서히 점짐적으로 변해야
모든 것이 무리없이 물 흐르듯이 개운하게 달라질 수 있는 것입니다.
여러분도 계획을 세울 때 서서히 변화를 추구해야 합니다. 하루 8시간씩
자던 맹구가 불타는 승부욕으로 갑자기 하루 2시간씩만 자고 맹렬히 공부했다가는
어느날 쌍코피 흘리고 쓰러지고 맙니다. 우리는 이런 것을 무리했다고 합니다.
절대로 무리하지 마세요. 모든 불행과 재앙의 근원입니다.
하루 10분씩 정도 잠을 서서히 줄여 나가면서 공부 시간도 늘리는 것이 순리이고
무난하여 여러 가지 이익을 줍니다. 순리대로 사는 사람들은 반드시 행복하고
평탄하게 인생을 잘 살 수 있습니다.
힘이 가해지게 되면 물체가 가속도를 받게 되는데 이 가속도는 힘과 비례합니다.
당연하죠. 힘차게 밀어줄수록 그네가 빨라지는 것이죠. 하지만 워낙 덩치가 크면
힘차게 밀어도 별로 빨라지지도 않아요. 즉, 가속도는 힘과는 비례하지만 질량과는
반비례하는 것입니다.
수학으로 표시해 보면 다음과 같습니다.
힘 = 질량 x 가속도
F = m a
중학교 때부터 많이 본 공식이죠. 이 정도만 알아도 문제 푸는데는 충분합니다.
물체의 무게가 바로 지구가 물체를 당기는 힘입니다. 그래서 물체의 질량은
우주 어디서나 같으나 무게는 달라집니다. 질량이란 관성을 숫자로 나타낸 것이죠.
무게가 달라지는 이유는 다음 공식을 보면 알 수 있습니다.
무게 = 질량 x 중력가속도 ( W = mg )
지구가 잡아당기는 중력가속도와 달이 잡아 당기는 중력가속도가 다르기므로
위 공식에 대입해 보면 무게가 달라지는 것입니다. 달은 지구보다 크기가 작아서
당기는 중력가속도도 작습니다. 따라서, 달에 가면 무게가 가벼워집니다.
지구에서 100 킬로그램중의 쇠공이 달에서는 17킬로그램중(지구의 약 1/6) 밖에
안됩니다. 달에서 중력가속도가 지구의 1/6 밖에 안되기 때문입니다.
질량은 우주 어디서나 일정하지만 (관성이므로)
무게는 달라집니다. (각 별의 중력가속도가 다르므로)
참, 질량이 뭐냐고 물어보면 많은 학생들이 대답을 못하더군요.
잘 알아두세요. 관성을 숫자로 나타낸 것이 질량입니다.
관성은 변화를 거부하는 성질이므로 질량이 클수록 변화를 잘 못합니다.
당연히 같은 힘을 가했을 때 볼펜은 쭉쭉 밀리지만 책상은 꿈쩍하지 않는 것입니다.
우주왕복선 속에는 중력의 영향이 거의 없는 무중력 상태이므로 묵직함(질량,무게)을
느낄 수 없습니다. 크기, 모양, 색깔이 같은 나무공과 쇠공을 구분 할 수 없습니다.
들어봤자 묵직한 느낌이 없으므로 구분을 못하는 것이죠.
하지만 관성을 이용하면 구분할 수 있습니다. 변화를 시켰을 때 잘 변하는 것이
관성이 작은 것입니다. 즉, 질량이 작은 나무공인 것입니다. 두 공을 들고 흔들어
봅니다. 잘 흔들리는 것이 변화를 잘하므로 관성이 작은 것이죠. 질량이 작은 가벼운
나무공이 잘 흔들립니다. 질량이 큰 쇠공은 잘 흔들리지 않습니다.
물론 두 공으로 머리를 때려보면 구분할 수 있습니다. 충격이 심한 것이 쇠공입니다.
이런 방법은 너무 무식한 방법이죠.
힘을 가하면 반드시 같은 크기의 힘이 반대 방향으로 작용하는 것입니다.
예로써는 사공이 노는 젓는 것, 철봉을 당겨 턱걸이 하는 것등이 있습니다.
노가 물을 미는 작용, 물이 열받아 노를 미는 반작용으로 배가 앞으로나아가는 것이죠.
내가 철봉을 잡아 당기는 작용과, 철봉이 나를 당기는 반작용으로 나의 턱이
철봉위로 올라가는 것이죠.
가는 말이 고운면 오는 말도 고운 것과 같은 이치입니다. 상대에게 주먹을 날리면
뾰족한 샤프가 날아 오기 마련입니다. 세상은 공짜가 없는 것입니다. 세상은 돌고
돌아 세옹지마니, 전화위복이니 하는데 결국 작용과 반작용의 법칙 때문이라고
생각할 수 있습니다. 뿌린대로 거두는 세상입니다. 열심히 공부하면 좋은 성적이
나오기 마련입니다. 강도높게 공부할수록 더 좋은 성적이 돌아오는 것입니다.
성실하면 성실할수록 더욱 많은 행복과 기쁨이 돌아오는 것입니다. 착하고 성실하게
살아야할 이유가 여기에 있는 것입니다.
불성실한 요령꾼들은 일시적으로 잘 사는 것처럼 보이지만 결국 큰 재앙속으로
굴러 떨어지는 것을 역사를 통해서 똑똑히 볼 수 있습니다. 절대로 막 살지 마세요.
비참한 인생이 기다리고 있습니다. 회사에서 학교에서 밝고 명랑하게 인사를 잘
해보세요.모든 일들이 신기할 정도로 잘 풀릴 것입니다. 뉴턴의 제 3 법칙 때문입니다.
우리도 자연의 일부입니다. 자연은 결코 거짓이 없는 것입니다. 인간의 작은 욕심으로
하늘을 속이지 맙시다. 천벌(반작용)이 돌아 옵니다. 그 누구도 피할 수 없는
자연의 준엄한 법칙입니다.