뉴턴의 제3법칙은 다음 뜻입니다. 물체 A가 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B도 물체 A에 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 가합니다. 이 두 힘은 동시에 발생하며 서로 다른 물체에 작용합니다.
하나의 상호작용에 대해,
빠르게 기억하는 방법은 상호작용에는 항상 두 측면이 있다는 점입니다. 먼저 두 물체의 이름을 정하지 않고 제3법칙의 힘을 찾으려 하면 안 됩니다.
크기가 같고 방향이 반대인 힘이 왜 상쇄되지 않는가
"작용-반작용"이라는 표현은 조금 오해를 부를 수 있습니다. 마치 순서대로 일어나는 것처럼 들리기 때문입니다. 하지만 물리학에서 이 힘의 쌍은 동시에 작용합니다.
마찬가지로 중요한 점은, 이 힘들이 같은 물체에 작용하지 않는다는 것입니다. 그래서 하나의 자유물체도에서 서로 상쇄되지 않습니다. 힘은 같은 물체에 작용할 때만 상쇄됩니다.
예제: 두 스케이터가 서로 밀고 출발하기
거의 마찰이 없는 얼음 위에 두 스케이터가 서 있다고 생각해 봅시다. 스케이터 A가 스케이터 B를 오른쪽으로 의 힘으로 밉니다.
바로 그 순간, 스케이터 B도 스케이터 A를 왼쪽으로 의 힘으로 밉니다. 이 두 미는 힘은 같은 상호작용에서 나오고 방향이 반대이므로 제3법칙의 힘의 쌍입니다.
스케이터들의 질량이 다르면 가속도는 서로 다를 수 있습니다. 그렇다고 해서 법칙이 깨지는 것은 아닙니다. 뉴턴의 제3법칙은 힘의 크기가 같다고 말하는 것이지, 가속도가 같다고 말하는 것은 아닙니다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 질량이 더 작은 스케이터가 더 큰 가속도를 얻습니다. 일정한 질량에 대해 이기 때문입니다.
작용-반작용 힘의 쌍을 찾는 방법
다음의 짧은 확인 절차를 사용해 보세요.
- 상호작용하는 두 물체의 이름을 정합니다.
- "스케이터 A가 스케이터 B에 가하는 힘"처럼 한 힘을 분명하게 씁니다.
- 물체의 순서를 바꾸어 짝이 되는 힘을 씁니다. "스케이터 B가 스케이터 A에 가하는 힘"입니다.
- 두 힘이 같은 상호작용에서 나오는지 확인합니다.
- 두 힘이 서로 다른 물체에 작용하고 방향이 반대인지 확인합니다.
이 확인 중 하나라도 맞지 않으면, 아마 제3법칙의 힘의 쌍이 아닐 가능성이 큽니다.
뉴턴의 제3법칙에서 자주 하는 실수
- 힘의 크기가 같고 방향이 반대이므로 서로 상쇄된다고 생각하는 것. 같은 물체에 작용할 때만 상쇄됩니다.
- "작용"이 먼저이고 "반작용"이 나중이라고 생각하는 것. 두 힘은 동시에 작용합니다.
- 잘못된 힘끼리 짝을 맞추는 것. 당신이 벽을 미는 힘에 대한 반작용은 벽이 당신을 미는 힘이지, 당신의 무게나 바닥의 수직항력이 아닙니다.
- 같은 힘이면 같은 운동이 나와야 한다고 가정하는 것. 힘이 같아도 질량이 다르면 가속도는 달라질 수 있습니다.
뉴턴의 제3법칙을 어디에 쓰는가
뉴턴의 제3법칙은 두 물체가 상호작용할 때마다 나타납니다. 걷기, 점프하기, 카트 밀기, 수영하기, 또는 로켓이 배기가스를 뒤로 밀어내는 경우가 모두 그렇습니다. 각각의 경우 실제 운동은 여전히 각 물체에 작용하는 전체 힘을 함께 봐야 결정됩니다.
예를 들어 걸을 때는 발이 지면을 뒤로 밉니다. 그러면 지면은 마찰력을 통해 당신을 앞으로 밉니다. 표면이 충분한 마찰력을 제공하지 못하면 그 앞으로 미는 힘이 너무 작아져 걷기가 어려워집니다.
대부분의 실수를 막아 주는 한 가지 점검
크기가 같고 방향이 반대인 두 힘이 없어져야 할 것처럼 보인다면, 한 가지를 물어보세요. 그 두 힘이 같은 물체에 작용하는가? 답이 아니오라면, 그것들은 하나의 자유물체도에서 상쇄되는 힘의 쌍이 아닙니다.
비슷한 힘의 쌍 확인을 직접 해보기
벽을 밀기나 바닥을 박차고 점프하기처럼 일상적인 상호작용 하나를 골라 보세요. 그림을 그리기 전에 먼저 말로 힘의 쌍을 써 보세요. "내가 벽에 가하는 힘"과 "벽이 나에게 가하는 힘"처럼요. 이런 습관을 들이면 더 어려운 역학 문제에서도 뉴턴의 제3법칙을 훨씬 쉽게 사용할 수 있습니다.