뉴턴 역학의 기초 - 뉴턴의 운동 1법칙(관성의 법칙)

뉴턴 역학의 기초 - 기초 물리량 : https://boringphys.tistory.com/5

 

지난 글에서 뉴턴 역학(Newtonian Mechanics)에서 다루는 기본적인 물리량들에 대해서 다뤘다. 이번 글에서는 뉴턴 역학의 기초가 되는 뉴턴의 운동 법칙(Newton's laws of motion) 중 제 1법칙인 '관성의 법칙'(principle of inertia) 대해서 다뤄보려고 한다.

 

이 법칙들은 뉴턴이 물리학을 만들 때 사용한 기본 가정(postulate)에 가깝다. 해당 법칙을 기반으로 예상한 운동 방정식들이 실험과 잘 일치할 경우 우리는 이 가정을 사실이라고 믿는다.

 

물론 반례가 발견될 수도 있으며 이 경우 이론은 수정을 거치게 된다. 실제로 뉴턴의 법칙들은 수정을 거친 역사가 많지만 그럼에도 불구하고 물리학에 있어서 가장 중요한 이해를 제공해준다.

 

뉴턴 제 1법칙, 관성의 법칙은 다음과 같이 요약할 수 있다.

모든 물체는 힘을 받지 않는다면 자신의 상태를 유지하려 한다.

 

우리는 지난 글에서 물체의 운동은 운동량(momentum) \( \vec{p} \)를 통해서 표현한다고 했었다.

 

따라서 뉴턴 제 1법칙은 외부에서 힘(force)이 가해지지 않는다면 물체의 운동량에는 변화가 없고 반대로 얘기하자면 물체의 운동을 변화시키는 요인은 힘이 된다고 할 수 있다.

 

관성의 법칙이 적용되는 입자를 우리는 자유 입자(free particle)이라고 부른다. 자유 입자는 물체에 작용하는 어떠한 힘이 없기 때문에 초기 자신의 운동 상태를 변화하지 않고 유지한다.

 

하지만 만약 힘이 가해지는 경우 물체의 운동에는 변화가 생긴다. 의외로 같은 힘을 가한다 하더라도 변화 정도는 물체마다 다르다.

 

이는 물체마다 외부의 힘에 저항하는 성질, 자신의 운동 상태를 유지하려는 성질을 가지고 있음을 알 수있다. 이러한 성질을 관성이라고 부른다.

 

사실 관성의 법칙은 뉴턴보다는 갈릴레오(Galileo)가 먼저 제시했다. 갈릴레이의 관성 사고실험이 이에 대한 유명한 예시로 꼽힌다.

 

갈릴레오는 만약 공이 오른쪽으로 움직이는 상황에서 어떠한 자극도 없다면 공은 영원히 자신의 속도를 유지한 상태로 나아간다고 주장했다.

 

물론 이러한 현상은 현실에서 나타나질 않는다. 현실에는 운동을 변화시키는 요인이 수도 없이 많기 때문에 결국 공이 멈춘다는 사실을 경험적으로 알고있다.

 

 

하지만 이 법칙이 가치가 있는 이유는 좌표계에 대한 설정을 내포하기 때문이다.

 

현대의 물리학은 관성의 법칙은 더 특별한, 선호되는 관성 좌표계(inertial frame)란 것이 존재하지 않음을 의미한다고 해석한다.

 

이에 대해서는 갈릴레이 변환(Galilian transform)에 대해 다루면서 더 자세히 다뤄볼 예정이다.