12 힘과 운동에 대한 한 번의 정리

뉴턴의 제 1,2,3 법칙

지난 시간까지 숨차게 달려 온 듯 하군요. 운동을 다루게 되는 역사적인 상황들과 F = ma로써의 기계적 인과론, 정밀 과학의 기반이 되는 시간까지. 이번 시간에는 한 번 정리를 하고 가 볼까 합니다, 뉴턴의 법칙을 중심으로.

여기까지 오는 데에 영향을 주신 분들이 있었죠? 르네 데카르트(1596~1650; La Geometrie

1637), 갈릴레오 갈릴레이 (1564~1642), 아이작 뉴턴(1643~1727; 프린키피아, 1687). 해석기하학(좌표평면), 등가속도 운동, F =ma 를 각각 이야기하시면서 근대 과학이 활짝 열렸습니다.

이러한 근대 물리학에 방점을 찍은 분은 누가 뭐래도 뉴턴 이겠죠. 프린키피아라는 저서에서 운동의 법칙을 정리합니다. 우리가 뉴턴의 제1,2,3 법칙으로 알고 있는 그것이죠.

제1법칙은 관성의 법칙입니다. 이것은 사실 갈릴레오가 먼저 주장한 것으로 알고 있는데, 왜 뉴턴의 1법칙으로 배우게 될까요? 관성의 법칙은 운동은 자연스러운 것으로 연구의 가치가 있음을 이야기합니다. 그런데 관성이 깨지는 경우도 있지 않나요? 대표적인 것이 공을 던지는 포물선 운동이죠. 이렇게 관성이 깨지고 속도가 변하는 이유가 무엇인가에 대한 질문으로 이어질텐데요.

그 관성이 깨지는 이유를 설명한 것이 제2법칙인 가속도의 법칙(F = ma) 인 것입니다. 운동이 자연스러운 것으로 유지되니까, 그 운동의 변화를 다룰 수 있는 것이겠죠? 그 변화의 원인을 힘이라고 정의한 것이구요. 그래서 1법칙과 2법칙은 같이 묶여서 가치를 발합니다. 그래서 관성의 법칙도 뉴턴의 법칙에 들어오지 않았을까하는 생각입니다.

여기에 미분을 발명하여 연속적인 운동을 수학적으로 다룰 수 있게 하였죠. 가속도를 속도의 시간에 대한 미분으로 정의하면, 속도의 순간 순간의 변화가 힘이라는 원인에 의해 생겨나는 것을 나타날 수 있죠. 그리고 그것을 방정식으로 풀면 완전한 수학적 예측도 가능하구요.

그런데 아직 3법칙을 이야기하지 않았네요. 3법칙은 작용 반작용의 법칙입니다. 이것도 사실은 상식적입니다. 세상 모든 물체가 특별한 것이 없으니, 너가 당기면 나도 당긴다 인데요. 만유인력으로 태양과 지구가 당긴다고 하면, 왜 태양만 특별해서 당기거나, 지구만 특별해서 당기냐는 거죠. 누구도 특별하지 않고 평등하여, 힘은 언제나 서로 같이 준다는 법칙, 그것이 작용 반작용의 법칙인거죠. 천동설 때야 지구가 특별했지만, 이제 지구도 도는 마당에 특별한 것은 없는 것이겠죠? 물론 손으로 벽을 때리면 내 손도 아프다는 그런 상식적인 설명도 가능하구요. ^^

이렇게 힘과 운동이라는 것에 대해 정리를 해 보았습니다. 크게 한 묶음의 정리가 된 듯 하네요. 다음부터는 이제 근대의 끝에서 있는 열과 전자기에 대해 이야기를 풀어보려 합니다. 바로 그 전에 에너지를 잠깐 보구요~