힘의 특징

힘(force): 물체들 사이 또는 물체와 주변환경 사이의 상호작용을 기술하는 물리량으로, 상호작용의 결과는 (1)물체의 모양 변형 또는 (2)운동 상태의 변화이다.

- 운동하는 물체의 운동 방향 또는 빠르기를 변화시키는 요인이다.

- 힘은 벡터량이다.

· 두 힘을 합쳐 하나의 힘으로 나타낼 수 있고, 또한 하나의 힘을 두 개의 힘으로 분리할 수 있다.

· 벡터는 평행이동이 가능하므로, 직교 좌표계에서 방향과 크기를 변화시키지 않고 평행이동시켜 계산할 수 있다.

- 힘의 단위

· MKS 단위계: MKS 단위계에서 힘의 단위인 1뉴턴(Newton, [N])의 정의는 다음과 같다.

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1[N]

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· CGS 단위계: CGS 단위계에서 힘의 단위인 1다인(dyne, [dyn])의 정의는 다음과 같다.

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1[dyn]

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힘의 3요소: 힘의 크기, 힘의 방향, 힘의 작용점

그림 1. 힘의 3요소

뉴턴의 운동 제1법칙: 관성의 법칙 The Law of Inertia

외력이 작용하지 않을 때, 마찰과 같은 저항력이 없다면, 움직이는 물체는 처음 움직인 그 상태를 유지한다.

그림 2. 갈릴레이의 사고 실험

관성(inertia)의 개념은 갈릴레이의 사고 실험[그림 2]에서 출발한다.

- 갈릴레이는 빗면을 굴러 내려간 공이 마찰력을 받지 않는다면, 경사의 정도와 그 길이와 상관없이 결국 공이 같은 높이에 도달할 것이라 생각하였다. 이러한 생각은 반대편 빗면 경사를 낮출수록 이동거리가 증가하는 식으로 나타났는데, 만약 이동경로가 [그림 2]의 A 높이까지 도달하지 못한다면, 공은 E처럼 영원히 계속 구를 것이라 주장했다.

- 갈릴레이의 사고실험은 『두 우주 체계에 대한 대화』(1632)의 '넷째 날' 대화에서 설명된다.

그림 3. 갈릴레이의 저서 『대화』

관성: 물체가 자신의 운동상태를 계속 유지하려는 성질

- 관성의 크기는 물질의 질량에 비례하며, 속도의 크기와는 무관하다.

- 관성의 사례: 에어백, 안전띠, 지진계, 플라이휠 등...

- 외력이 작용하지 않는다면, 정지한 물체는 영원히 정지해 있고, 운동하는 물체는 영원히 '등속도 운동'을 할 것이다.

뉴턴의 운동 제2법칙: 운동의 법칙(가속도의 법칙) The Law of Motion

운동의 법칙: 물체에 힘이 작용하면, 그 힘의 방향으로 물체에 가속도가 발생한다.

- 물체의 속도를 변화시키는 요인을 '힘'으로 정의함

- 알짜힘(net force): 한 물체에 여러 개의 힘이 동시에 작용할 때 이 모두를 합한 힘(합력) ⇒ 힘의 합은 벡터합으로 구한다.

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Law of Motion

$\sum _{\ }^{\ }\overrightarrow{f}=m\overrightarrow{a}$ ∑ f=ma​

$①\ \sum _{\ }^{\ }\overrightarrow{f}=\overrightarrow{F}:\ 알짜힘$①  ∑ f=F: 알짜힘​

$②\ m:\ 물체의\ 질량$② m: 물체의 질량​

$③\ \overrightarrow{a}:\ 가속도$③ a: 가속도

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그림 4. 알짜힘

Law of Motion에서 가속도의 표현

1. 알짜힘과 질량으로부터 가속도를 나타내면 다음 식을 따른다.

2. 속도변화량과 경과 시간으로부터 가속도를 나타내면 다음 식을 따른다.

EXAMPLE 1.

마찰이 없는 수평면에 정지한 5kg의 물체에 10N의 힘을 4초간 작용하고 있을 때, 다음 예제를 구하시오.

- v-t 그래프에서 면적은 변위의 크기와 같다.

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