뉴턴의 3가지 운동법칙이란?

SCIENCE WAVE

 

 

뉴턴의 3가지 운동법칙(Laws of Motion)이란?

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공중을 날아가는 공, 화살, 비행기, 물에서 다니는 배와 잠수함, 언덕을 굴러 내려가는 돌, 시계추의 흔들림(진자侲子 운동), 자동차의 이동, 제자리에서 맴도는 팽이, 회전하는 물체, 궤도를 따라 도는 달과 행성, 바닷물의 조석 현상, 이 모든 것이 운동이다.

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중력의 법칙을 발견하고, 미적분학을 발전시킨 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642-1727)은 지구상의 모든 물체와 우주의 천체들이 ‘3가지 운동법칙’대로 운동하고 있다는 내용을 1687영에 쓴 그의 저서 <프린키피아>에 발표했다. 뉴턴의 3가지 운동법칙은 관성의 법칙, 동역학(動力學)의 기본법칙, 작용과 반작용의 법칙이다.

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제1법칙(관성의 법칙) - 외부로부터 어떤 힘이 작용하지 않는다면, 정지하고 있는 물체는 항상 정지해 있고, 운동하고 있는 물체는 항상 같은 방향으로 같은 속도로 움직이려 한다.

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제2법칙(동역학의 기본법칙) - 운동하고 있는 물체의 힘은 그 물체의 질량에 가속도를 곱한 것과 같다. 즉 F = ma 이다. (F는 힘, m은 질량, a는 가속도)

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제3법칙(작용과 반작용의 법칙) - 물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B는 물체A에 대해 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 동시에 작용한다.

 

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제1법칙은, 날아가는 화살이 공기의 저항을 받지 않는다면, 그 화살은 같은 방향으로 속도가 변하지 않고 영구히 날아간다는 것이다. 지구에서는 공기가 없는 곳이 없고, 중력이 작용하지 않는 곳이 없어 이것을 증명하기 어려우나, 진공이고 무중력인 우주공간에서는 이 법칙이 증명된다.

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제2법칙은, 커다란 군함은 속도는 느리지만 질량이 크고, 날아가는 총알은 빠르지만 질량이 작다. ‘질량’과 ‘무게’는 의미가 다르다. 달에 내린 사람의 무게는 훨씬 가볍다. 그러나 그 질량은 지구에서나 달에서나 같다.

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정지하고 있던 자동차가 달리기 시작할 때는 느리지만, 시간이 지나면서 점점 빨라진다. 이처럼 시간에 따라 속도가 변하는 정도를 '가속도'(加速度 acceleration)라 하며, 가속도의 평균값을 ‘평균 가속도’라 한다. 예를 들어 천천히 휘두르는 몽둥이와 빠르게 휘두르는 몽둥이의 가속도는 다르다.

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제3법칙은 작용과 반작용의 힘은 크기가 같지만 작용하는 방향이 반대라는 것을 설명한다. 예를 들어 보트를 타고 노로 물을 뒤로 밀면 배는 앞으로 간다. 선박의 스크루, 비행기의 프로펠러, 제트기와 로켓의 분사는 모두 반작용의 힘을 이용하여 전진한다.

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뉴턴의 이러한 운동법칙은 케플러의 법칙을 증명하게 되어, 태양중심설에 대한 의심을 완전히 걷어내게 되었다. 뉴턴은 과학의 역사에서 가장 많은 영향을 준 과학자이며, 그가 쓴 <프린키피아>는 가장 많은 사람이 읽은 과학책이었다. 그는 오목거울을 이용하여 천체를 확대하여 관찰할 수 있는 반사망원경을 발명했으며, 프리즘으로 태양빛에 여러 색이 섞여 있음을 증명하기도 했다. 뉴턴은 성서를 논리적으로 해석한 신앙심 깊은 기독교인이기도 했다.

 

 

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제트기는 연료를 태운 가스를 뒤쪽으로 강력하게 분사하여 그 반작용으로 전진한다.

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3가지 운동법칙을 맨 먼저 발견한 뉴턴은 케임브리지대학의 수학교수로서, 매주 수학 강의를 해야 했다. 그러나 그는 연구에 너무 열중한 나머지 강의를 잊어버리기도 했다. 그래서 어떤 날은 강의실에 학생이 아무도 없어 그냥 집으로 되돌아가기도 했다.

 

 

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