운동의 법칙

입자의 운동상태가 변화하는 원인이 되는 힘의 개념을 도입하여 운동을 설명하고자 하는데, 이를 동역학이라 부른다. 뉴턴은 힘, 가속도, 질량에 바탕을 둔 세 가지 운동법칙을 이용해 역학현상을 설명하였다. 뉴턴의 운동법칙을 사용하면 광속에 비해 느린 속력으로 움직이는 거시적 물체들의 운동을 완벽하게 서술할 수 있다. 뉴턴의 운동법칙들을 바탕으로 거시적인 역학현상들을 기술하는 이론을 고전역학이론이라 부른다. 물체의 속력이 광속에 접근하여 빠르게 움직이는 경우에는 상대성 이론의 분야에서 다루어야 하고, 물체의 크기가 원자의 크기보다 작은 미시적인 입자들의 운동에 대해서는 양자론을 사용하여 기술하여야 한다. 그렇지만 뉴턴의 운동법칙들을 바탕으로 하는 고전역학은 거시적인 역학현상들은 물론 물리학의 많은 분야를 이해하는데 기본적인 토대가 된다. 물체에 작용하는 알짜 외부 힘이 없으면 물체는 계속 정지하거나 일정한 속도로 운동을 계속하게 된다는 사실을 알게 될 것이다. 그리고 물체에 알짜 외부 힘이 작용하면 이 힘에 의하여 물체가 가속되는데, 그 가속도의 크기는 물체에 적용된 알짜 외부 힘의 크기에 비례하고 물체의 질량에 반비례하며 알짜 외부 힘의 방향으로 가속될 것이다. 또한 물체에 작용하는 힘들은 항상 크기가 같고 방향이 반대인 한 쌍으로 존재하여 서로에게 영향을 미친다는 것을 알게 될 것이다. 우리는 일상생활의 경험을 통하여 힘의 개념을 알고 있다. 어떤 물체를 밀거나 끌어당길 때 우리는 그물체에 힘을 가한다. 공을 발로 차거나 던질 때에도 그 공에 힘이 가해진다. 용수철을 당기면 용수철이 늘어나고, 손수레를 끌면 수레가 움직인다. 축구공을 발로 차면 공은 발과 접촉하는 극히 짧은 시간 동안만 모양이 변형되다가 곧 원래의 모습으로 복원되어 날아간다. 이러한 힘들은 두 물체 사이의 물리적 접촉에 의해서 만들어지는 접촉력의 예들이다. 자연계에는 두 물체가 물리적으로 접촉해 있는 경우뿐만 아니라 물체가 서로 떨어져 있는 경우에도 힘이 작용하는 것을 많이 볼 수 있다. 패러데이는 서로 떨어져 있는 물체 사이에 작용하는 힘의 개념을 정립하였는데 장의 개념을 처음으로 도입하였다. 장을 매개체로 하여 작용하는 힘을 장력이라 부른다. 질량을 가진 물체가 주위에 중력장을 만들고 이 중력장을 통하여 질량인 물체와 중력에 기인하는 상호작용을 하게 된다. 이런 중력의 영향 때문에 물체가 지구의 인력권 안에서만 움직일 수 있게 된다. 태양계의 행성들이 궤도운동을 하면서 태양계를 벗어날 수 없는 것도 이 중력 때문이다. 막대자석은 주위에 자기장을 만들고 이 자기장을 통해 철 조각에 자기력을 미쳐 끌어당긴다. 이러한 전기력과 자기력은 중력과 같은 장력의 다른 예이다. 앞서 예로든 접촉력들은 사람 몸 근육의 작용에 의하여 나오는 것인데, 미시적인 관점에서 보면 이러한 힘들의 원천은 각 근육을 구성하는 분자들 사이에 작용하는 전자기적 힘이라 할 수 있다. 오늘날 자연계에 존재하는 기본적인 힘은 모두 장력으로 이해되고 있으며, 이는 크게 네 종류로 구분된다. 네 가지의 힘은 첫째 원자핵을 구성하는 입자들 사이에 작용하는 강력, 둘째 정지해 있는 전하들이나 움직이는 전하들 사이에 작용하는 전자기력, 셋째 방사성 붕괴가 일어날 때 작용하는 약력, 넷째 질량이 있는 물체 사이에 작용하는 중력이다. 이러한 네 종류의 힘을 하나로 통일하려는 시도가 대통일 이론을 통하여 계속 탐구되고 있다. 우주 탄생의 초창기처럼 극히 높은 밀도와 온도에서는 전자기력과 약한 핵력이 서로 구분될 수 없으며, 두 힘은 전기약력이라는 하나의 힘이 다르게 나타난 것으로 간주하고 있다. 따라서 네 가지의 힘을 세 종류의 힘으로 구분하고도 한다. 특히 중력은 다른 힘들이 존재하는 시간과 공간에 영향을 미치므로 중력을 다른 힘들과 포괄하는 데 어려움이 있다. 교실 바닥에서 아이스하키 퍽을 치면 어느 정도 미끄러지다가 이내 멈춘다. 만약 얼음 위에서 퍽을 치면 더 멀리 가다가 멈출 것이다. 갈릴레오 이전에는 물체가 일정한 속도로 움직이기 위해서는 물체를 끌어당기거나 밀어내는 힘이 필요하다고 생각하였다. 그러나 갈릴레오 이후부터 물체의 속도가 느려지는 것은 물체가 운동하는 동안 바닥과의 마찰과 공기저항 때문이라는 것을 알았다. 만약 공기 저항력과 마찰력을 줄이면 물체는 더 먼 거리를 미끄러져 나아갈 것이다. 그리고 물체의 속도를 방해하는 외부적인 요인이 없다면 마찰이 거의 없는 평면 위에서 움직이는 물체는 속도 변화가 없이 운동상태를 그대로 계속 유지할 것이라고 갈릴레오는 추론하였다. 뉴턴은 갈릴레오의 이런 생각을 수식으로 표현하는 뉴턴의 제1 법칙으로 정리하였다. 뉴턴의 제1 법칙이란, 물체에 작용하는 알짜 외부 힘이 없으면, 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고 움직이는 물체는 일정한 속도로 계속 운동한다. 넓은 잔디밭에 골프공과 야구공이 높여 있을 때 알짜 외부 힘이 작용하지 않으면 뉴턴의 제1 법칙에 의해 두 공은 계속해서 정지상태로 있을 것이다. 이제 골프채로 각각의 공을 때려 외부 힘을 가하면 두 공 모두 정지상태의 변화에 저항한다. 우리는 같은 힘으로 각각의 공을 때릴 경우에 가벼운 골프공이 무거운 야구공보다 멀리 날아가는 것을 알고 있다. 이는 무거운 야구공이 가벼운 골프공보다 운동상태의 변화에 더 크게 저항하는 것을 나타낸다. 즉, 골프공보다 무거운 야구공이 처음과 같은 운동상태인 정지상태를 유지하려는 성질이 크다는 것을 의미한다. 이처럼 운동상태의 변화에 저항하는 물체의 성질을 관성이라 한다. 그리고 관성의 크기를 물리적으로 측정한 양이 물체의 질량이다. 즉 야구공의 질량이 골프공보다 커서 멀리 날아가지 못하는 것이다.