관성의 법칙

관성의 법칙은 정지하여 있는 물체와 일정한 속도로 운동하는 물체를 구별하지 않는다. 물체가 정지하여 있거나 일정한 속도로 운동하는 것은 그 물체를 관찰하는 기준틀에 달려 있다. 뉴턴의 운동 제1 법칙은 알짜 외부 힘이 계에 작용되지 않으면 물체의 운동상태가 변화되지 않는다는 의미에서 관성의 법칙이라 부르기도 한다. 직선의 레일을 따라 일정한 속도로 달리는 기차의 손잡이를 생각해 보자. 기차의 기준틀에서 보면 손잡이는 정지해 있지만, 지면에 정지된 기준틀에서 보면 손잡이는 기차와 같은 속도로 운동하고 있다. 관성의 법칙에 따라 기차의 기준틀에서 보면 기차의 손잡이는 계속 정지 상태로 있고, 지면의 기준틀에서 보면 기차와 같은 속도로 계속 움직인다. 관성의 법칙이 적용되는 기준틀을 관성 기준틀이라 한다. 정지하여 있는 지면의 기준틀이나 일정한 속도로 움직이는 기차의 기준틀 모두 관성 기준틀이다. 만약 기차가 속도를 올리면서 가속된다고 가정하자. 손잡이에 작용되는 외부 힘이 없지만 손잡이는 기차의 뒤쪽으로 기울어질 것이다. 외부 힘이 손잡이에 작용하지 않았음에도 기차의 기준틀에서 보면 손잡이는 기차의 뒤쪽으로 가속된다. 이와 같이 가속되는 기차의 기준틀에서는 관성의 법칙이 성립되지 않는다. 관성 기준틀에 대하여 가속되는 기준틀은 관성 기준틀이 아니다. 지구 표면에 설치된 기준틀은 지구의 자전과 공전 효과에 의하여 감소되므로 엄밀하게는 관성 기준틀이 아니다. 그러나 지구의 이러한 가속도는 그 크기가 작고, 지구 표면 가까이에서 자유낙하 운동이나 포물선 운동을 다룰 때는 중력가속도의 변화를 무시할 수 있으므로 지면에 정지된 기준틀을 관성 기준틀로 간주할 수 있다. 뉴턴의 제1 법칙은 물체에 작용하는 알짜 외부 힘이 0이면 물체는 정지해 있거나 일정한 속도로 계속 운동한다는 것을 나타낸다. 이를 바꾸어 보면 제1 법칙은 알짜 외부 힘이 존재할 때 물체의 운동상태가 변화됨을 암시한다. 그러면 알짜 외부 힘 즉 외력은 무엇을 의미하는가? 외력은 계의 외부에서 작용되는 힘이다. 계에 작용되는 외부 힘들은 다른 아이가 수레를 미는 힘 그리고 수레와 아이의 무게 및 지면이 수레바퀴에 작용하는 마찰력이 있다. 알짜 외부 힘은 외력들을 벡터 방법으로 합한 것이다. 계의 구성 요소들 사이에 작용하는 힘들은 내력이라 부른다. 뉴턴 제2 법칙은 알짜 외부 힘이 계에 작용될 때 물체의 운동상태가 어떻게 변화되는가를 설명한다. 알짜 외부 힘은 물체의 운동상태를 변화시키는 일 즉 물체를 가속시키는 요인이 된다. 마찰이 없는 경사면에 얼음 조각을 놓으면 경사면에 나란한 중력 성분에 의해 얼음 조각이 미끄러져 내려간다. 경사면의 각도를 높으면 중력 성분이 증가하여 얼음 조각은 더 빠르게 가속된다. 즉, 물체의 가속도는 물체에 작용하는 알짜 외부 힘에 비례한다. 얼음판 위에서 가벼운 꼬마 아이가 탄 썰매와 무거운 아이가 탄 썰매를 각각 일정한 힘으로 밀면 꼬마 아이의 썰매가 더 빠르게 가속되어 멀리 미끄러져 간다. 골프채로 골프공과 야구공을 각각 일정한 힘으로 때리면 가벼운 골프공이 무거운 야구공보다 더 크게 가속되어 멀리 날아간다. 이와 같이 물체의 가속도는 물체의 질량에 비례한다. 뉴턴의 제2 법칙을 다시 한번 설명하면, 물체의 가속도는 물체에 작용된 알짜 외부 힘에 비례하고 물체의 질량에 반비례하며, 가속도의 방향은 알짜 외부 힘의 방향과 같다.