뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727년)은 17세기 영국의 수학자이자 물리학자로 운동 법칙과 만유인력 법칙의 체계화를 이룩한 역사적인 과학자입니다.
이번 글에서는 고전역학에서 가장 기본적인 물리 법칙이며 현재의 우리 일상생활 깊숙한 분야까지 적용되고 있는 뉴턴의 운동 법칙에 대해 알아보도록 하겠습니다.
뉴턴의 제1법칙 : 관성의 법칙
물체는 관성을 유지하려는 경향이 있습니다. 외부 힘이 가해지지 않는다면 운동하는 물체는 계속 운동하려 하고 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려고 합니다.
대표적으로 버스나 지하철 승차 시에 누구나 경험해 본 기본적인 법칙입니다. 차량이 급정지할 때는 우리 몸이 앞쪽으로 쏠리고 급하게 출발할 때는 반대로 몸이 뒤쪽으로 쏠리게 됩니다.
또한 차량이 코너를 주행할 때는 회전하는 반대 방향 쪽으로 우리의 몸이 움직이게 되는 물리적 현상입니다. 좌회전 시에는 우측으로 우회전 시에는 좌측으로 몸이 이동하게 됩니다.
급정지 시에는 브레이크에 의한 마찰력이, 급출발 시에는 엔진 출력에 의한 힘이, 코너링 시에는 조향에 의한 순간적 구심력이 자동차에 작용하여 차량이 정지하거나 달려 나가고 또한 회전합니다.
그러나 우리의 몸은 관성의 법칙에 의해 원래의 운동 상태를 그대로 유지하려고 하기 때문에 갑자기 변동되는 차량의 운동방향과 반대로 움직이는 것입니다.
회전에 의한 관성의 법칙을 적용한 다른 사례 중 하나는 원심 분리기입니다. 고속으로 회전하는 시험관 속의 액상 성분이 구심력에 반하여 원심력을 받기 때문에 비중에 따라 각각의 성분이 분리될 수 있는 것입니다.
뉴턴의 제2법칙 : 가속도의 법칙
물체의 운동 속도를 변화시키는 것은 외력이고 속도 변화의 크기, 즉 가속도는 외력에 비례하며 그 방향은 외력과 같은 방향입니다.
- F = m·a
- a = F / m
여기서 F : 외력, m : 물체의 질량, a : 물체의 가속도입니다.
가속도의 법칙의 대표적인 사례가 바로 자동차입니다. 자동차의 가속도는 엔진의 출력에 따라 달라지며 같은 출력이라면 가속도는 질량에 반비례하므로 가벼운 차량일수록 가속도는 증가하게 됩니다.
가속을 중요시하는 스포츠카나 경주용 자동차는 엔진 출력 증가에 못지않게 경량 소재들을 부품에 적용하여 차량의 무게를 최소화하려는 노력을 하는 이유가 바로 여기에 있는 것입니다.
자동차의 가속 능력을 대표하는 제원인 제로백(정지 상태서 시속 100 km의 속도까지 가속하는 데 걸리는 시간)을 알면 그 차량의 최대 가속도를 구할 수 있습니다.
일례로 자동차의 속도가 v, 가속 시간을 t라고 할 때 제로백이 5초인 자동차의 가속도는
- a = v / t = 100 [km/h] / 5 [초] = { 100 x 1000 [m] / 3600 [초] } / 5 [초] = 5.555 [m/sec ²]
로 구할 수 있으며 중력 가속도 9.8 [m/sec ²]의 약 57%에 해당하는 수준입니다.
뉴턴의 제3법칙 : 작용 반작용의 법칙
모든 작용에는 그 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있습니다.
태권도 시범에 가장 많이 사용되는 송판 격파에서 실수로 송판이 격파되지 않을 경우 시범자는 손에 극심한 통증을 느끼게 됩니다.
이는 송판이 격파되지 않으면 송판에 시범자가 가한 힘과 크기는 같고 방향이 반대인 반작용, 즉 송판이 손에 가하는 힘이 발생되기 때문입니다.
그러나 더욱 강하고 빠르게 손으로 타격하면 송판이 부서지면서 송판에 의한 반작용이 급격하게 작아지기 때문에 오히려 손에 통증이 느껴지지 않습니다.
총을 쏘면 총알이 나가는 반대 방향인 뒤쪽으로 총이 밀리는 반동도 작용 반작용 현상이며 빙판 위에서 상대방을 밀면 본인도 반대 방향으로 밀리게 되는 것도 바로 작용 반작용입니다.
조금 더 확대하면 인간관계에서의 분쟁과 갈등도 작용 반작용의 법칙으로 설명할 수 있습니다. 내가 상대방에게 친절하면 상대방도 나에게 친절할 것이며 서로 미워하고 싸움이 일어나는 것은 결코 한쪽만의 잘 못이 아니라는 것입니다.