뉴턴의 역학
냉동공학 기초(1) - 힘과 가속도
냉동공학으로의 첫걸음을 내딛기 전, 기초체력을 튼튼히 하기 위해선 기본적인 물리량부터 두둑이 알아두는 것이 좋다.
여기서 말하는 물리량이란 물리학에서 정의하는 힘, 일, 일률, 열량, 온도, 압력 등을 말하며 아무리 피해 가고 싶어도 위의 개념을 알지 못하면 다음 단계로 나아갈 수가 없다.
이 글의 목적은 냉동의 원리에 대해 최대한 쉽게 이해하고자 하는 것이므로, 여러분들의 기대에 부흥하고자 이러한 개념들을 설명하되 복잡한 내용이나 수식 등은 최대한 쳐내버리고 설명할 것이다.
우리가 첫 번째로 볼 내용은 아이작 뉴턴의 운동법칙 중 힘과 가속도에 대한 내용이다.
여기서 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 영국 과학자의 이름으로, 모호하게만 알고 있던 물체들의 운동 원리를 명확하게 밝혀낸 근대 이론과학의 선구자이다.
이러한 뉴턴의 발견을 정리한 것을 뉴턴의 운동법칙이라고 하는데, 이 법칙은 자그마한 물체의 움직임부터 거대한 행성의 움직임에 이르기까지 우주에 있는 모든 물체의 운동을 설명할 수 있는 마스터키와 같다.
이 발견으로 우리는 우리 주변 물체들의 운동을 정확히 설명할 수 있게 되었고, 이를 응용한 다양한 기계들은 산업혁명의 시발점이 되었다.
뉴턴의 법칙은 아래와 같이 나뉜다.
뉴턴의 제 1 법칙 : 관성의 법칙
뉴턴의 제 2 법칙 : 힘과 가속도의 법칙
뉴턴의 제 3 법칙 : 작용·반작용의 법칙
우리가 여기서 볼 내용은 뉴턴의 제 2 법칙으로, 힘과 가속도에 대해 살펴보려고 한다.
우리 문명에서 가장 획기적인 전환점이었던 뉴턴의 발견을 간단하게 음미해 보도록 하자.
힘과 가속도란 무엇인가?
빙판 위에 어떤 정지된 물체가 있다고 가정해보자.
이 물체를 1초간 민다고 생각해 보면, 그 시간 동안 물체의 속도는 서서히 증가한다.
물체는 이 과정에서 '힘'을 받았고, '가속'되었다.
여기서 물체가 '가속'이 된 정도가 바로 '가속도'이다.
힘과 가속도의 관계를 보면 아래와 같이 나타난다.
그림1. 힘과 질량, 가속도의 관계위 그림과 같이 어떤 물체에 힘을 가하면, 그 물체의 질량에 따라 가속도가 정해진다.
여기서 질량은 '어떤 물체에 포함되어 있는 물질의 양'이다.
이 관계를 명확히 알기 위해 아래의 예시를 보자.
당신은 경주용 차량에 쓰이는 고출력 터보 엔진을 오토바이에 탑재하였다.
시동을 걸자 오토바이는 무시무시한 속도로 안드로메다까지 날아가버렸다.
그림2. 날아가는 오토바이위의 예시에서 고출력 터보 엔진이 경주용 차량과 오토바이에게 전달하는 힘은 동일하다. 하지만, 두 물체의 질량이 다르므로 상대적으로 가벼운 오토바이에서 속도의 변화량(가속도)이 훨씬 크다.
이와 같이 가속도는 힘이 클수록, 질량이 작을수록 커지게 된다.
이번에는 다른 예시를 한번 보도록 하자.
당신은 수레에 짐을 실어 나르고 있다.
당신이 이 수레를 미는 힘이 크면 클수록, 수레의 속도 변화는 커진다. (비례관계)
수레의 짐(질량)이 적으면 적을수록, 수레의 속도 변화는 커진다. (반비례관계)
그림3. 수레 밀기이를 간단한 수식으로 나타내 보면,
가속도 = 힘 / 질량
힘 = 질량 × 가속도
등으로 나타낼 수 있으며, 힘의 단위는 발견한 사람의 이름을 따서 '뉴턴[N]'이라고 한다.
이와 같이, 뉴턴이 운동 체계를 정리한 이후 우리는 물체의 힘과 운동의 개념을 정확하게 기술할 수 있게 되었으며 이를 바탕으로 각종 물리현상들을 계산할 수 있게 되었다.
뉴턴의 법칙은 냉동공학뿐만 아니라 모든 공학에서 쓰이므로, 반드시 이해하고 넘어가는 것이 좋다.
