뉴턴의 제1법칙(관성)

뉴턴의 제1법칙은 물체에 작용하는 알짜 외력이 0이면 그 물체의 속도가 일정하게 유지된다고 말합니다. 따라서 물체는 정지 상태를 유지하거나, 일정한 속력으로 직선 운동을 계속합니다.

이 명제는 관성계에서 성립합니다. 관성계란 가속하지 않는 기준틀을 뜻합니다. 이 법칙은 관성의 법칙이라고도 부르는데, 관성이란 물질이 속도의 변화를 거부하려는 성질이기 때문입니다.

뉴턴의 제1법칙 한 줄 요약

관성계에서,

$$\sum \vec{F}_{\text{ext}} = 0 \Rightarrow \vec{v} = \text{constant}$$

여기서 "constant"라는 말이 중요합니다. 일정한 속도는 0일 수도 있는데, 그 경우는 정지입니다. 또는 일정한 직선 운동일 수도 있습니다.

관성이란 무엇인가: 쉬운 말로 설명

사람들은 가끔 움직이는 물체가 "계속 움직이려고 한다"고 말합니다. 아주 틀린 말은 아니지만, 충분히 정확하지는 않습니다. 더 정확한 표현은 알짜 외력이 작용하지 않으면 물체의 속도는 변하지 않는다는 것입니다.

속도는 빠르기뿐 아니라 방향도 포함합니다. 그래서 속력이 같아도 방향이 바뀌면 속도가 변한 것입니다. 방향이 바뀌었다면 알짜 외력은 0이 아닙니다.

예제: 매끄러운 얼음 위를 미끄러지는 퍽

하키 퍽이 이미 동쪽으로 $3\ \mathrm{m/s}$의 속도로 미끄러지고 있다고 가정해 봅시다. 스틱이 퍽과 떨어진 뒤, 다음 몇 초 동안은 얼음이 충분히 매끄러워 마찰을 무시할 수 있다고 생각해 봅니다.

그러면 알짜 외력은 거의 0이므로, 뉴턴의 제1법칙에 따르면 퍽은 약 $3\ \mathrm{m/s}$의 속도로 동쪽으로 직선 운동을 계속합니다.

만약 퍽의 속력이 줄어든다면, 그것은 알짜 외력이 실제로 0이 아니었다는 뜻입니다. 실제 얼음 위에서는 마찰과 공기 저항 때문에 속력이 보통 조금씩 감소하므로, 등속도 예측은 그 근사가 얼마나 잘 맞는지에 달려 있습니다.

여기서 길러야 할 가장 중요한 습관은 먼저 알짜 외력이 0인지 묻는 것입니다. 0이라면 속도가 일정할 것이라고 예상합니다. 속도의 크기나 방향이 바뀐다면 알짜 외력은 0일 수 없습니다.

뉴턴의 제1법칙에서 자주 하는 실수

• 물체가 일정한 속도로 움직이려면 힘이 계속 필요하다고 생각하는 것. 속도를 바꾸려면 알짜힘이 필요하지만, 유지하는 데는 필요하지 않습니다.
• "힘이 0"인 상태를 "운동이 0"인 상태와 같다고 보는 것. 알짜힘이 0이어도 일정한 운동을 할 수 있습니다.
• 방향 전환도 속도 변화라는 점을 잊는 것. 원운동은 방향이 계속 바뀌므로 뉴턴의 제1법칙의 예가 아닙니다.
• 관성을 밀거나 당기는 힘이라고 부르는 것. 관성은 추가적인 힘이 아니라 물질의 성질입니다.

뉴턴의 제1법칙은 언제 쓰는가

뉴턴의 제1법칙은 힘 분석의 출발점입니다. 계산을 시작하기 전에, 먼저 그 운동이 알짜힘 0을 시사하는지 아니면 알짜힘이 0이 아님을 시사하는지 묻습니다.

이 법칙은 안전벨트가 왜 중요한지도 설명해 줍니다. 자동차가 갑자기 멈추면 몸은 이전의 속도를 유지하려는 경향이 있습니다. 안전벨트는 그 운동을 안전하게 바꾸는 외력을 제공합니다.

기초 물리에서는 이 법칙으로 단순한 모델을 정당화하기도 합니다. 예를 들어 공기 저항을 무시하면 수평 방향의 포물체 운동은 흔히 등속도 운동으로 다룹니다. 그때는 수평 방향 알짜힘을 0으로 보기 때문입니다.

비슷한 상황을 직접 해 보기

일상적인 상황 하나를 골라 직접 적용해 보세요. 예를 들면 탁자 위에 가만히 놓인 책, 한 번 쳐서 미끄러지는 퍽, 또는 자동차가 브레이크를 밟을 때 앞으로 쏠리는 승객이 있습니다. 질문은 하나로 시작하면 됩니다. 알짜 외력이 0인가요? 이 확인만으로도 뉴턴의 제1법칙을 바로 적용할지, 아니면 다음으로 뉴턴의 제2법칙이 필요한지 보통 판단할 수 있습니다.