1. 운동의 제1법칙 (관성의 법칙)
교통사고로 인한 인명 피해를 줄이기 위해 일반도로에서는 운전자와 앞 좌석의 승객은 안전띠를 착용해야 하며, 고속도로에서는 모든 승객이 안전띠를 착용할 것을 의무화하고 있다. 자동차를 탈 때 안전띠를 착용하면 어떻게 해서 안전을 지킬 수 있을까?
정지 상태의 물체를 이동시키거나 운동 중인 물체를 정지시키려면 힘이 필요하다. 그런데 수평면 위에서 공을 굴려 보면 공의 속력이 점점 줄어들면서 결국은 정지한다. 공의 속력이 줄어들지 않고 계속 굴러가게 할 수는 없을까?
마찰이나 공기 저항 등이 운동하는 물체에 작용하지 않으면 그 물체는 등속도 운동을 계속하게 된다. 이처럼 물체는 외부로부터 힘이 작용하지 않으면 원래의 운동 상태를 계속 유지하려는 성질이 있는데 이러한 성질을 관성이라고 한다. 관성은 우주 내의 모든 물체가 지닌 자연의 기본적인 특성이다.
우리가 달리기를하다가 바로 그 자리에 정지할 수 없는 것은 바로 이러한 관성 때문이다.
이탈리아의 물리학자 갈릴레이는 빗면 실험을 통해 물체가 빗면을 내려갈 때는 속력이 빨라지고, 반대로 빗면을 올라갈 때는 속력이 느려진다는 것을 주의 깊게 관찰하고, 어느 쪽으로도 기울지 않은 수평면에서는 속력이 변하지 않고 일정해야 한다고 머릿속으로 추리하여 관성을 이해하기 쉽게 설명하였다. 그 후 뉴턴은 관성에 대해 다음과 같이 체계적으로 정리하였다.
"외부로부터 물체에 힘이 작용하지 않거나 작용하더라도 힘의 합력이 0이면 운동하고 있는 물체는 계속 등속도 운동을 하고, 정지하고 있는 물체는 그대로 정지해 있다."
이것을 뉴턴의 운동의 제1법칙 또는 관성 법칙이라 한다. 관성법칙으로 물체의 운동 상태를 변화시키는 원인이 힘이라는 것과 정지 상태의 물체와 등속도 운동을 하는 물체는 모두 가속도가 0인 운동 상태임을 알게 된 것이다.
그러면 관성의 크기를 나타내는 물리량은 무엇일까? 정지하고 있는 질량이 큰 물체를 움직일 때가 질량이 작은 물체를 움직일 때보다 큰 힘이 필요하며, 같은 속도로 운동하는 물체 중에서 질량이 큰 물체를 정지시키기가 더 어렵다는 것을 경험으로 잘 알고 있을 것이다. 따라서 질량으로 그 물체의 관성의 크기를 나타낼 수 있다.
관성에 관한 현상은 우리 생활 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 정지해 있던 자동차가 갑자기 출발할 때에는 몸이 뒤로 젖혀지는 것을 경험한 적이 있을 것이다. 이런 현상은 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려는 관성이 작용하기 때문에 나타나는 현상이다. 달리고 있는 자동차가 갑자기 멈출 때에는 몸이 앞으로 쏠리는 것도 경험하였을 것이다. 이것은 운동하고 있는 물체는 그 운동을 계속하려는 관성 때문에 나타나는 현상이다.
2. 운동의 제2법칙 (가속도의 법칙)
운동 중인 물체에 힘이 작용하지 않거나 작용하는 힘의 학력이 0일 때, 그 물체는 등속도 운동을 한다. 그러면 운동하는 물체에 힘이 작용하면 그 물체는 어떤 운동을 하게 될까? 아마도 물체의 속력이 변하거나 운동 방향이 바뀌게 될 것이다. 즉, 가속도가 생긴다. 이처럼 힘은 물체의 운동이 변하는 것과 밀접한 관련이 있다.
힘과 가속도 - 축구공을 손으로 던질 때보다 발로 찰 때 더 빨리, 더 멀리 날아간다. 이것은 발로 찼을 때 축구공에 더 큰 힘이 전달되었기 때문이다. 우리는 물체에 작용하는 힘이 클수록 운동 상태의 변화가 크게 일어난다는 것을 잘 알고 있다. 운동 상태가 변한다는 것은 곧 가속도가 생긴다는 것이며, 이것은 힘과 가속도 사이에 어떤 관계가 있다는 것을 의미한다. 물체의 질량을 일정하게 하고 물체에 작용시키는 힘의 크기를 F에서 2F, 3F,...로 증가시키면 물체의 가속도는 a에서 2a, 3a,...로 증가한다. 즉 물체의 질량이 일정할 때 가속도 a는 작용하는 힘 F에 비례하여 증가한다. 이때 가속도의 방향은 힘의 방향과 같다. 따라서 가속도와 힘 사이의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다. a ∝ F
질량과 가속도 - 같은 힘으로 질량이 작은 야구공과 질량이 큰 투포환을 던지면 어떤 것이 더 빨리, 더 멀리 날아갈까? 가속도는 물체의 질량에도 의존한다. 빈 수레를 밀 때와 똑같은 힘으로 짐을 가득 실은 손수레를 민다면 가속은 덜된다. 주어진 알짜힘에 대해서 질량이 클수록 가속도는 점점 작아진다. 물체에 작용하는 힘의 크기를 일정하게 하고 물체의 질량을 m에서 2m, 3m, ... 으로 증가시키면 물체의 가속도는 a에서 a*1/2, a*1/3,...로 줄어든다. 즉 물체에 작용하는 힘이 일정할 때 가속도 a는 물체의 질량 m이 커짐에 따라 감소한 다는 것을 알 수 있다.
