뉴턴 운동의 법칙과 뉴턴 역학

뉴턴 운동의 법칙

　그런데, 뉴턴이 정한 「운동의 법칙」은, 다음의 3개로 이루어집니다.

1. 밖에서 힘이 작용하지 않으면 물체는 정지한 채로 또는 등속 직선 운동을 한다.
2. 물체에 힘이 작용하면 힘의 방향으로 가속도가 발생한다. 가속도는 물체가받는 힘에 비례하고 물체의 질량에 반비례한다.
3. 모든 행동에 대해 균등하고 반대 방향의 반응이 항상 존재다.

첫 번째는 "관성의 법칙", 두 번째는 "운동 방정식", 세 번째는 "작용 · 반응의 법칙"이라고합니다. 이것을 좀 더 자세히 살펴 보겠습니다.

제1법칙: 관성의 법칙

• 밖에서 힘이 작용하지 않으면 물체는 정지한 채로 또는 등속 직선 운동을 한다.

　이 법칙의 운동은 갈릴레오가 말하는 수평운동(즉 원운동)이 아니라 직선운동으로 되어 있습니다. 그리고 물체에 힘이 가해지지 않으면 곧 운동은 멈춰 버린다는 옛 생각을 없애고 있습니다. 반대로, 이러한 법칙이 성립하는 「계」를 「관성계」라고 합니다.

그런데 물리를 공부하는데 있어서 제일 먼저 넘어지는 것은 이 관성의 법칙일지도 모릅니다. 우리가 보는 운동에서는 힘을 가하지 않는 것은 감쇠하고 곧 멈춰 버립니다. 쭉 등속 직선 운동은 어쩔 수 없는가, 라고 생각합니다. 하지만 그것은 마찰력이나 공기 저항 등의 운동을 멈추려고 하는 힘이 가해지고 있기 때문입니다. 운동을 멈추게 하는 힘을 없애면 관성의 법칙이 성립된다는 사실을 인정하는 것이 물리의 이해에 대한 첫걸음입니다. 동시에 이 법칙을 발견한 뉴턴의 비범함을 엿볼 수 있습니다.

제2법칙:운동방정식

• 물체에 힘이 작용하면 힘의 방향으로 가속도가 발생한다. 가속도는 물체가받는 힘에 비례하고 물체의 질량에 반비례한다.

　운동 방정식이 역학과 수학을 연결하는 강력한 다리이며, 이 발견이 뉴턴의 최대 실적이라고 할 수 있습니다 (뉴턴은 실제로는 가속도라는 단어를 사용하지 않고, 운동량의 시간 변화라는 것으로 와의 관계를 이해하고있었습니다).

　게다가 이 법칙은 질량이란 무엇인가라는 의미도 포함하고 있습니다. 물체에 힘을 가해 그 물체의 운동의 변화를 방해하는 것을 질량(정확하게는 관성 질량)으로 하고 있습니다. 운동 방정식 덕분에 우리는 물체의 움직임을 예측할 수 있습니다.

제3법칙: 작용·반작용의 법칙

• 모든 행동에 대해 균등하고 반대 방향의 반응이 항상 존재합니다.

　이것은 매우 소박하고 매우 중요한 법칙입니다. 만약 이 법칙이 성립되지 않는다면, 세계는 엉망이 되어 버립니다. 작용·반작용의 법칙은 운동량 보존법에 연결됩니다.

 

뉴턴 역학과 현대

　이 장에서는 점성술에서 물리학이라는 학문이 태어나기 시작한 16세기경부터 뉴턴의 역학체계가 정비될 때까지 약 200년간의 역사의 대략적인 흐름을 보았습니다. 어땠습니까? 일단 뉴턴 역학의 탄생까지 이어졌으므로, 여기서 장을 바꾸어 관성의 법칙, 운동 방정식에 대해서는 다음 장에서 자세하게 해설을 쓸 예정입니다.

　우리는 선인의 시행착오와 노력에 서서 세계를 이해할 수 있습니다. 처음에 썼습니다만, 물리로 최초로 배우는 분야는 역학입니다. 물건이 떨어지는 운동이나 투사 운동의 연습 문제를 공식을 구사해 풀고 있는 것만으로는 실로 무미 건조한 생각이 듭니다. 하지만 그 기본법칙의 확립에 이르는 과정은 실로 많은 사람들의 인생이 얽혀 살아있는 로망이 넘쳐나고 있습니다.

　그리고 현재도 세계의 우주의 기본 원리를 요구하는 인류의 도전은 계속되고 있습니다. 계속되는 장에서는 수식을 이용해 역학의 기본을 배워 갈 예정입니다. 수식에 휘두르면 목적을 잃어버리는 경향이 있습니다만, 물리학의 본질인 「세계를 이해하고 싶다」라고 하는 목적을 명심해 두면, 분명 조금은 즐겁게 공부할 수 있는 것이 아닐까 생각합니다.