힘과 힘의 합성, 힘의 평형, 뉴턴 운동 법칙의 세 가지

안녕하세요. 학습코치 부이쌤입니다. 이번 시간에는 힘과 힘의 합성, 힘의 평형, 뉴턴 운동 법칙의 세 가지라는 주제로 고등학교 과학탐구영역 물리학1에 대한 이야기를 하려고 합니다.

 

 

힘이 무엇인지, 힘의 합성과 힘의 평형이 무엇인지에 알아보고, 뉴턴 운동 법칙의 세 가지와 필요한 과학 용어도 찬찬히 살펴보도록 하겠습니다.

 

■힘

힘이란 물체의 운동 상태 또는 모양을 변화시키는 작용을 말합니다. 여기서 질점 개념을 도입하면 물체의 모양이 변하는 것도 물체를 이루는 질점의 운동 상태를 변하게 하는 것으로 볼 수 있으므로 물체의 운동 상태를 변하게 하는 작용이 됩니다. 힘은 뉴턴에 의해 개념적으로 정립되었으며 단위도 뉴턴을 씁니다. 예를 들어 1N은 질량이 1kg 물체를 1m/s제곱으로 가속시키는 힘을 말합니다.

 

 

힘을 표시하는 것으로는 힘의 3요소가 있습니다. 힘의 3요소로 첫째, 힘의 크기입니다. 힘의 크기 측정은 탄성체를 이용하는데요. 용수철이나 고무줄 등의 탄성체에 힘이 작용하면 탄성체의 길이가 늘어나, 그 효과로 작용하는 힘의 크기에 따라 달라집니다. 또한, 힘이 가는 방향인 힘의 방향과, 힘이 작용하는 지점인 힘의 작용점 등이 있습니다.

 

■힘의 합성

힘의 합성을 알기 전에 알짜힘 또는 합력을 알아야 합니다. 합력은 물체에 작용하는 모든 힘을 합한 것을 말합니다. 힘의 합성을 알아보기 전에, 합성은 2개 또는 개 이상의 요소가 합쳐진 것을 말합니다. 힘의 합성은 두 가지의 경우가 존재합니다.

 

첫째, 같은 방향의 두 힘이 합성할 때, 합력의 크기는 두 힘의 크기의 합과 같고, 방향은 두 힘의 방향과 같습니다.

 

둘째, 반대 방향의 두힘이 합성할 때, 합력의 크기는 두힘의 크기의 차와 같고, 방향은 크기가 큰 힘의 방향과 같습니다.

 

힘의 합성은 평행사변형법을 이용하여 알아낼 수 있습니다. 힘의 크기를 화살표의 길이로, 힘의 방향을 화살표의 방향으로 나타내면, 두 힘의 합력을 시작적으로 알 수 있습니다. 평행사변형 규칙은 두 벡터의 힘을 크기와 방향으로 시각적으로 나타낼 수 있습니다. 또한 두 힘을 선택한 좌표계에서 성분 벡터로 나타낸 다음 알짜힘의 성분을 두 벡터 성분의 합으로 나타내거나 물체에 작용하는 힘이 세 가지 이상인 경우에는 두 가지 힘을 합성하는 과정을 반복해서 적용하면 최종적인 알짜힘을 알 수 있습니다.

 

■힘의 평형

힘의 평형을 알기 전에 평형이 먼지 알아야 합니다. 평형은 시간에 따라 상태가 변하지 않는 상태 등을 말합니다. 힘의 평형은 한 물체에 작용하는 힘들의 합들의 합력이 0일 때, 이 힘들이 서로 평형을 이룬다고 하며, 물체는 힘의 평형 상태에 있습니다.

 

 

힘의 평형에는 두 가지 특징이 있는데요. 정지해 있거나 등속 직선 운동을 하는 물체는 힘의 평형 상태에 있으며, 한 물체에 작용하는 두 힘의 크기가 같고 방향이 반대이면 두 힘은 평형을 이룹니다.

 

강체의 경우 힘의 평형이 이루어진 상태라고 해서 역학적 평행상태가 보장되지 않습니다. 비록 강체에 작용하는 알짜힘이 0이더라도 임의의 기준점에 대한 알짜돌림힘이 0이 아니면 그 기준점에 대한 회전운동의 직가속도는 0이 아닙니다.

 

■뉴턴 운동 법칙

뉴턴 운동 법칙은 총 세 가지의 법칙으로 나눌 수 있습니다. 첫째, 관성의 법칙입니다. 관성은 물체가 자신의 운동 상태를 계속 유지하려는 성질을 말합니다. 관성은 정지해 있는 물체는 계속 정지를 하려고 하고, 운동하는 물체는 계속 같은 속도로 운동하며, 질량이 클수록 운동 상태를 변화시키기 어렵습니다. 

 

둘째, 가속도 법칙입니다. 가속도는 힘이 증가할수록 같이 증가하며, 질량이 증가시키면 기울기가 반비례합니다. 

 

셋째, 작용 반작용 법칙입니다. 힘은 두 물체 사이의 상호 작용으로 항상 쌍으로 움직입니다. 쌍으로 작용하는 두 힘의 크기는 같고 방향은 반대입니다. 즉, 물체 A와 물체 B가 상호 작용하였을때, A가 B에 작용하는 힘과 동시에 B가 A에 작용하는 힘이 있습니다. 이때 힘AB를 작용이라고 하면 힘BA는 반작용이라고 합니다.

 

■마치며

지금까지 힘과 힘의 합성, 힘의 평형, 뉴턴 운동 법칙의 세 가지라는 주제로 힘의 의미, 힘의 합성과 힘의 평형의 의미와 성질, 뉴턴 운동 법칙의 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙에 대해서 알아보았습니다.

 

다음 시간에도 알차고 유익한 학습 정보로 찾아뵙겠습니다. 지금까지 학습코치 부이쌤이었습니다.

 

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