힘
밀기와 당기기, 마찰, 중력, 그리고 뉴턴이 힘과 운동을 잇는 데 쓴 세 법칙을 배웁니다. 운동 실험실에서 지구, 달, 화성의 진자를 흔들어 공식과 실제 주기를 비교합니다.
이 과정에 대하여
힘은 벡터여서 방향이 중요합니다. 두 사람이 수레를 같은 방향으로 30N과 20N으로 당기면 합은 50N이지만, 반대 방향으로 당기면 30 − 20 = 10N이 센 쪽을 향합니다. 직각으로 만나는 힘은 직각삼각형의 두 변으로 더합니다. 동쪽 3N과 북쪽 4N은 북동쪽 5N이 됩니다.
여섯 단원은 힘이란 무엇인가, 뉴턴의 세 법칙, 마찰, 중력과 무게, 진자, 일과 에너지 맛보기입니다. 뉴턴은 1687년 『프린키피아』에서 세 법칙을 밝혔습니다. 제3법칙의 두 힘은 서로 다른 물체에 작용하므로 서로 상쇄되지 않습니다. 말과 수레가 움직이는 이유는, 말이 빨라지는지가 말에 작용하는 모든 힘, 곧 말발굽을 미는 땅의 힘까지 포함해 정해지기 때문입니다. 마찰은 접촉 면적에 거의 의존하지 않습니다. 벽돌은 눕혀도 좁은 면으로 세워도 마찰이 거의 같습니다. 질량 70kg인 사람의 무게는 지구에서 약 687N, 화성에서 260N, 달에서 113N이고 질량은 어디서나 같습니다.
운동 실험실은 지구, 달, 화성에서 진자를 흔들고 그 시간을 공식과 비교합니다. OpenStax는 주기를 T = 2π√(L ÷ g)로 주는데 추의 질량은 식에 나오지 않으므로, 길이가 같으면 무거운 추와 가벼운 추가 같은 박자로 흔들립니다. 지구에서 1.00m 진자의 주기는 T ≈ 2.006초입니다. 거꾸로도 쓸 수 있습니다. 길이 75.000cm인 진자의 주기가 1.7357초이면 g ≈ 9.828 m/s²입니다.
시작하기 전에
힘은 운동에서 본 움직임이 왜 일어나는지 설명합니다. 그래서 운동 강좌, 특히 가속도 단원을 먼저 보면 자연스럽게 이어집니다. F = ma와 진자의 제곱근 정도를 쓰므로 기초 대수면 충분하고, 그 밖에 따로 필요한 것은 없습니다.
마치고 나면
여러 힘을 더해 알짜힘을 구하고, 뉴턴 제2법칙으로 힘과 질량에서 가속도를 계산하며, 마찰을 이기고 상자를 움직이는 데 필요한 힘을 구할 수 있습니다. 지구·화성·달에서 질량과 무게를 구별하고, 진자의 주기를 공식과 맞춰 보며, 가방을 선반에 올리는 데 드는 일도 계산할 수 있습니다.
- 1힘이란 무엇일까요1뉴턴은 손에 든 작은 사과 하나의 무게쯤입니다.
- 2뉴턴의 세 법칙1,200 kg 자동차를 3 m/s²로 가속하려면 알짜힘 3,600 N이 필요합니다.
- 3마찰미끄러지는 타이어의 마찰 계수는 마른 콘크리트에서 약 0.7, 젖은 콘크리트에서는 약 0.5로 떨어집니다.
- 4중력과 무게질량 70 kg인 사람의 무게는 지구에서 약 687 N, 화성에서 260 N, 달에서 113 N입니다. 질량은 어디서나 같습니다.
- 5진자길이 99.4 cm인 진자는 한 번 왕복하는 데 2초, 한쪽으로 1초가 걸립니다.
- 6일과 에너지 맛보기2 kg 가방을 1.5 m 선반에 올리려면 약 29 J의 일이 들고, 가방이 떨어지면 같은 29 J를 돌려줍니다.
이 과정의 출처 (10)
- OpenStax College Physics 2e, chapter 4 (Newton's laws)
- 5.1 (Friction, Table 5.1 coefficients)
- 5.2 (Drag)
- 7 (Work and energy)
- 16.4 (The simple pendulum, worked example 75.000 cm and 1.7357 s) (openstax.org/books/college-physics-2e)
- NIST CODATA standard acceleration of gravity 9.80665 m/s² and Newtonian constant of gravitation (physics.nist.gov/cuu/Constants)
- NASA Moon and Mars Fact Sheets (surface gravity 1.62 m/s²; Mars 3.69 to 3.73 m/s²; Earth GM 0.39860 × 10⁶ km³/s², mean radius 6371 km; Earth surface acceleration 9.78 equator, 9.83 pole) (nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/)
- Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687)
- Galileo, Two New Sciences (1638)
- American Physical Society, "Christiaan Huygens Patents the First Pendulum Clock" (aps.org/apsnews/2017/06/huygens-patents-first-pendulum-clock).
확인한 날: 2026-10-17