관성의 법칙에 관한 설명을 듣고 한번에 모든 것을 다 이해하기 어렵습니다. 저도 처음 배운 이후로 계속해서 생각하고 생각하고 있는 내용입니다. 뭐든 가르치는 사람이 말하고자 하는 내용을 그대로 이해하기 쉽지 않습니다. 듣는 사람이 말하는 사람의 생각을 그대로 받아들이는게 아니라, 자기의 생각과 경험을 바탕으로 또 다르게 해석해서 생각하는 과정을 거칩니다. 그래서, ‘관성의 법칙 오해 풀기’는 관성의 법칙 설명 듣고 잘 못 생각할 수 있는 경우를 따져서 올바른 이해를 돕고자 하는 것입니다.
‘정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’
보통 이렇게 알고 있는 경우가 많습니다. 가끔 이렇게 설명하기도 합니다. 이 설명은 옛날 사람, 관성의 법칙을 잘 모르는 사람들이 잘못 생각하는 것을 지적하기 위해서 사용하는 말입니다. ‘정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려 한다.’ 이 성질은 보통 문제삼는 사람이 없습니다. 우리 주변에서 본 많은 현상이 가만히 둔 물체는 가만히 있으니까요. 이 설명의 중요한 부분은 ‘운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’ 입니다.
우리 주변에서 본 많은 현상이 물체들은 움직이다 멈춘다는 것입니다. 돌을 굴리면 돌돌돌 굴러가다 멈춥니다. 손에서 떨어뜨린 물체는 땅바닥에 떨어져 멈춥니다. 그러니까, 자연 법칙은 ‘운동하고 있는 물체는 결국 멈추려고 한다.’ 라고 생각하는 사람들이 많다는 것입니다. 이런 사람들은 관성의 법칙이 틀렸다고 생각합니다. 또는 물리 시험 볼 때만 맞는 현상이고 보통 우리 주변에서는 이런 법칙이 맞지 않는다고 생각합니다.
관성의 법칙이 맞다고 생각하는 사람은 우리 주변에서 일어나는 일에서 관성의 법칙이 적용된다고 생각합니다. 관성의 법칙은 ‘힘이 작용하지 않으면 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’ 인데, 물체가 결국 멈춘다는 현상은 ‘힘이 작용하고 있다’라고 생각합니다. 관성의 법칙을 말할 때, ‘힘이 작용하지 않으면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’ 라고 설명하고 이해해야 합니다. ‘힘이 작용하지 않으면‘ 이란 말이 들어가면서 물리 교과서에서만 맞는 법칙이 아니라 우리 주변에 일어나는 모든 현상에서도 맞는 법칙이 되는 것입니다.
결국, 정지해 있는 물체가 움직이거나, 운동하는 물체가 정지하는 일이 일어나는 이유는 ‘힘이 작용하지 않으면 운동하고 있는 물체는 결국 멈추려고 한다.(잘못된 생각)’라고 생각하여 관성의 법칙이 틀린 것이다라고 생각하거나 관성의 법칙이 적용되지 않는다라고 생각하는 것이 아니라, 힘이 작용하기 때문 이라고 설명합니다. 관성의 법칙에서 ‘힘이 작용하지 않으면‘ 이란 조건을 잊지 말고 생각하고 이해해야 더 정확히 이해하는 겁니다.
‘힘이 작용하지 않으면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’ 는 말과
‘정지해 있는 물체가 움직이고, 움직이는 물체가 정지하는 것은 힘이 작용하는 것이다.’는 같은 말입니다.
‘책상위에 정지한 물체는 중력이 0인가요?’
관성의 법칙을 설명하면 이런 질문을 당연히 하게 됩니다. ‘힘이 작용하지 않으면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’ 라고 했으니, 정지해 있는 물체는 힘이 작용하지 않는 것이라고 생각합니다. 그런데, 책상위에 있는 물체가 중력을 받는다는 것을 배웠으니 연결하면, 책상위에 있는 물체는 중력이 0 이 되어야 하는 것 아닌가라는 생각입니다.
좀 복잡한 말로 설명을 조금해보겠습니다. 당장 이해가 안되어도 상관은 없습니다. 다른 방법으로 설명을 더 할 것이니까요. 비가 오면 길이 젖어 있습니다. 길이 젖어 있으면 비가 온것인가요? 길이 젖어 있어도 누가 물을 뿌려서 젖어 있을 수 있습니다. 그러니까, 정지해 있는 물체는 힘이 작용하지 않는다라고는 말할 수 없습니다. 그러니까, 책상위에 물체가 있다고 해서, 중력이 0 이 되는 것은 아닙니다.
다른 설명은 다음과 같습니다. 물체에 힘이 작용하는 것이 한 가지만 있는게 아니라는 겁니다. 중력말고도 모르는 힘이 더 있을 수 있는 겁니다. 물체에 작용하는 힘이 여러개 있을 때, 힘의 합성을 통해 한 가지 힘으로 표현할 수 있다는 것을 배웠습니다. 물체에 작용하는 모든 힘을 ‘알짜힘’이라고도 하는 데요. 알짜힘이 0 이면 정지해 있는 모든 물체는 계속 정지해 있습니다. 책상위의 물체가 중력이 있는데도 정지해 있다는 말은 다른 힘이 더 있어서 알짜힘이 0 이란 뜻입니다. ‘정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’면 ‘알짜힘이 0이기(없기) 때문’입니다.
‘정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다면 알짜힘이 0 이다’ 는 맞는 말입니다. 또한, ‘알짜힘이 없으면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다.’ 도 맞는 말입니다. 다시 말하면 ‘알짜힘이 0 ‘이란 말과 ‘정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다.’ 는 같은 말이라고 해도 맞는 말이란 뜻입니다. (약간 틀린 말이 들어 있습니다. 아래에서 설명합니다.)
뱅글뱅글 도는 물체는 힘이 없으면 계속해서 돌고 있어야 하나요?
‘운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’고 했는데, 그럼, 줄에 매달아 돌리는 물체는 계속해서 돌아야 되나요? 인공위성은 지구를 계속 빙글빙글 돌고 있어요. 그럼 알짜힘이 0 인가요?
물체가 돌고 있는 것은 힘을 계속해서 가하고 있는 운동입니다. 그것은 좀 더 복잡한 운동이라 나중에 배우게 되는 것입니다. 대신 줄을 끊으면, 더 이상 물체가 돌지 않고 앞으로 쭉 날아가게 됩니다. 줄을 끊은 때 부터 알짜힘이 0 이 되는 것입니다. 인공위성의 경우에는 지구가 당기는 힘이 계속 있는 경우입니다. 지구가 당기는 힘이 사라지지 않기 때문에 직선으로 쭉 날아가는 일은 없습니다.
이 부분이 헷갈리는 이유는 ‘운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’ 말이 정확한 표현이 아니기 때문입니다. ‘운동하고 있는 물체는 등속 직선 운동을 계속하려 한다’가 맞는 표현인데, 등속 직선 운동 이 뭔지 모를 때 이렇게 설명하기 힘드니까 ‘운동하고 있는 물체는 운동을 계속하려 한다’라고 설명해서 생기는 오해입니다. 그러니까, 관성의 법칙을 설명하는 말이 아주 길어집니다.
‘힘이 작용하지 않으면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하고 있는 물체는 등속 직선 운동을 계속하려 한다’
좀 짧게 설명할 수 없나요?
여러분이 더 많이 알면 알수록 더 짧게 표현 할 수 있습니다. ‘정지해 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지’ 하는 운동은 속력이 0 인 운동입니다. 등속 직선 운동 은 속력이 일정한 운동이면서, 방향도 일정한 운동입니다. 그러니까, 두 운동 모두 속도가 일정한 운동입니다.
관성의 법칙은
‘힘이 작용하지 않으면 속도가 일정한 운동을 한다‘ 라고 말할 수 있습니다.
더 줄이면
‘힘이 작용하지 않으면 등속도 운동을 한다‘ 라고 할 수 있습니다.
다른 말로
‘힘이 작용하지 않으면 가속도가 0인 운동을 한다.‘ 라고 할 수 있습니다.
조금 다른 말이긴 한데,
‘알짜힘이 0 이면 가속도가 0인 운동을 한다.’ = ‘가속도가 0인 운동을 하면, 알짜힘이 0 이다.’
(조금 다른 말이라고 하는 것은 이 말은 앞뒤로 바꾸어 써도 같은 말이 되는 말이기 때문입니다.)
수식으로 쓰면,
강의 내용의 칠판에 써둔 내용입니다.
이것 말고도 관성의 법칙에 대해 이해가 안되는 내용이 있으면 댓글로 남겨주세요. 더 보충설명해드리겠습니다.
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