운동의 법칙 : 힘과 에너지

제5장. 힘과 에너지 (에너지란, 칼로리 소모, 위치에너지-중력, 운동에너지)

운동을 기술하는데 있어 그 운동의 법칙을 이해하는 것은 매우 중요하다. 운동하는 물체에 공통적으로 적용되는 법칙이 존재한다는 것을 알아내고 확인한 사람은 영국의 뉴튼경이다. 그는 지구표면에서 운동하는 물체가 항상 지구 중심을 향해 떨어지는 모습을 보고 중력의 존재를 예측하고 확인하였으며 이를 통해 수많은 천체의 움직임 내에 존재하는 법칙을 유도하고 확인하였다. 이를 통해 그는 운동의 법칙을 완성한다.

뉴튼이 발견한 운동의 법칙은 세가지 움직이는 물체에 대한 성질로 정리된다. 첫번째는 관성의 법칙이며 두번째는 힘과 가속도의 관계 그리고 마지막 세번째는 작용 반작용의 법칙이다. 그러한 운동의 법칙은 움직이는 모든 물체, 천체의 움직임, 달리기를 하는 주자, 공기분자의 운동 모두에 동일하게 적용된다. 그러한 법칙을 통해 우리는 다양한 종류의 움직임을 분석하고 그 원인을 확인하며 이를 통해 좀 더 효율적인 움직임을 만들어내는 여러가지 방법을 확인할 수 있다.

운동의 법칙을 조금만 더 자세히 알아보자. 뉴튼의 1법칙에 해당하는 관성의 법칙은 움직이는 물체는 그 움직임을 계속해서 유지하려는 경향이 있고 정지해 있는 물체는 외부에서 다른 작용이 존재하지 않는다면 계속해서 정지해 있게 된다는 법칙이다. 그러한 움직임의 성질을 계속해서 유지하려고 하는 성질을 우리는 관성이라고 부른다. 그러한 관성의 법칙은 달리는 주자에게도 적용된다. 이는 일단 어느정도의 달리기 속도를 확보하여 움직이고 있는 주자는 그러한 숙도를 계속해서 유지하려고 하는 경향성을 갖는다. 이는 관성 때문이다. 그러한 경향성을 다른 관점에서 이야기 한다면 달리는 주자게 어떤 다른 외적 조건이 주어지지 않는 경우 그 속도는 계속 유지하게 된다는 것이다. 빠르게 달리는 주자가 빠를 속도를 그리고 느리게 달리는 주자가 느린 속도를 유지하게 되는 것도 다 관성의 작용이라고 이해할 수 있다.

뉴튼의 제2법이 이야기하는 힘과 운동의 관계식은 그 자체로 힘의 정의로 받아들여질 수 있다. 즉 그 법칙은 힘이 주어지는 경우 물체에는 가속도가 생기는데 그 가속도의 크기는 물체의 질량에 반비례 한다는 것이다. 같은 힘을 주었을 때 질량이 큰 물체는 작은 가속도를 질량이 작은 물체는 큰 가속도를 갖게된다는 것이다. 이를 반대로 기술하면 우리는 다양한 종류의 힘의 작동에 대하여 인지할 수 있게 된다. 즉 어떤 물체가 움직임을 갖게 된다는 것은 그 물체에 힘이 주어졌기 때문인데 그 힘의 크기는 그 물체의 움직임의 변화에 해당하는 가속도와 질량의 곱으로 주어질 수 있다. 그러한 힘은 일반적으로 뉴튼(N)의 단위로 측정하게 되는데 1N은 1kg의 물체를 1m/s^2 가속하는데 필요한 힘으로 정의된다.

달리는 주자가 그 속도를 바꾸기 위해서는 외적인 작용이 필요하다는 뜻이 되기도 한다. 즉 주자가 속도를 늘리거나 줄이는 힘의 작용을 움직이는 방향이나 혹은 그 반대 방향으로 가했을 때 나타나는 현상으로 이해하면 된다.