뉴턴의 업적, 운동 법칙, 만유인력의 법칙


뉴턴의 법칙


과학, 역학, 공학을 접한 사람들은 뉴턴이란 이름을 수없이 들어봤을 것이다. 그렇다면 이는 과연 어떤 인물일까? 이번 시간에는 뉴턴의 업적, 관련된 법칙에 대하여 알아보자.




1. 아이작 뉴턴

(1) 뉴턴의 업적

☞ 아이작 뉴턴 (Isaac Newton) [1642년 12월 25일 - 1727년 3월 20일, (율리우스력)


☞ 17세기 영국의 물리학자 · 천문학자 · 수학자 · 철학자 · 연금술사 · 근대 이론과학의 선구자로써, 수학에서는 미적분법을 창시하고, 물리학에서는 뉴턴역학의 체계를 확립하는 등 인류 역사에 있어서 수많은 영향력을 끼친 인물


☞ 1687년 <자연철학의 수학적 원리(프린키피아[Principia])>를 출판함으로써, 케플러 법칙을 증명, 운동법칙(뉴턴의 3법칙), 만유인력의 법칙을 명확하고도 정확하게 체계화 이룩


뉴턴의 법칙_2


(2) 뉴턴의 주요 저서

☞ 1671년 - 유율법(Method of Fluxions)

☞ 1684년 - 물체의 궤도 운동에 관하여(De motu corporum in gyrum)

☞ 1687년 - 자연철학의 수학적 원리(Philosephiae Naturalis Principia Mathematica)

: 고대 이래의 힘과 운동에 대한 연구를 집대성했으며, 역학의 수학적 이론을 완성시킨 대 저서(라틴어, 총 3부로 구성)

☞ 1704년 - 광학(Opticks)

☞ 1707년 - 보편수학(Arithmetical universalis sive de compositione et resolutione arithmetica liber)

: 방정식론 등의 대수학 분야의 여러 업적을 다룸.

☞ 1728년 - 고대왕국의 연대기(The Chronology of Ancient Kingdoms)

☞ 1733년 - 다니엘의 예언과 성 요한의 묵시록에 관한 평론(Observations upon the Prophecies of Daniel, and the Apocalypse of ST.John)

☞ 1754년 - 주목할 만한나 성서의 두 변질에 대한 역사학적 해석(An Historical Accound of Two Notable Curruptions)


뉴턴의 법칙_3


2. 뉴턴의 운동법칙

(1) 제 1법칙 : 관성의 법칙

물체가 외부로부터 힘을 받지 않을 때 처음의 운동 상태를 계속 유지하려는 법칙으로, 물체가 외부로부터 힘이 작용하지 않는 한 정지해 있던 물체는 계속 정지 상태로 있고, 움직이던 물체는 계속 일직선 위를 똑같은 속도로 운동하려는 성질.


"F(힘)=0, → a(가속도)=0"


ex) 정지하고 있던 버스가 갑자기 출발하게 되면, 우리의 몸은 순간적으로 뒤로 쏠리게 되는 현상.

반대로 달리던 버스가 갑자기 정지하게 되면, 우리의 몸은 순간적으로 앞으로 쏠리게 되는 현상.


뉴턴의 법칙_4


(2) 제 2법칙 : 힘과 가속도의 법칙

힘과 가속도, 질량과의 관계를 나타내는 법칙으로 물체에 외력이 작용하면, 물체는 힘이 작용하는 방향으로 가속하며, 가속도의 크기는 그 물체에 작용하는 힘의 크기에 비례하고 물체의 질량에 반비례하려는 성질.


"F(힘)=m(질량) * a(가속도)"


ex) 당구공을 세게 치면 빠른 속도로 굴러가게 되고, 약하게 치면 느린 속도로 굴러가는 현상.


뉴턴의 법칙_5


(3) 제 3법칙 : 작용 반작용의 법칙

두 물체 사이에 작용하는 힘과 반작용하는 힘은 항상 크기가 같고 방향은 반대인 법칙으로 A 물체가 B 물체에 힘을 작용하게 되면 B 물체도 A 물체에 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 동시에 작용하는 성질.


"FAB(A가 B 작용하는 힘) = -FBA(B가 A에 작용하는 힘)"


ex) 내가 주먹으로 물체를 10[N]의 힘으로 때리면 벽이 나의 주먹을 동일한 힘으로 때린 것과 같이 아픈 현상.


뉴턴의 법칙_6


3. 만유인력의 법칙(중력의 법칙)

영국의 물리학자이자 근대 이론과학의 선구자이기도 한 뉴턴은 질량을 갖는 모든 물체 사이에는 서로가 끌어당기는 만유인력이 작용하고 있다고 가정하였으며, 그 세기는 각 물체의 질량의 곱에 비례하고, 두 물체의 떨어진 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 알아내어 중력을 정량적이고 수학적으로 설명하였다.



널리 알려진 일화에 따르면 뉴턴은 나무에서 떨어지는 사과를 보고 만유인력의 법칙을 발견했다고 한다. 하지만 정확한 사실 관계를 확인하기는 어려우며, 뉴턴이 떨어지는 사과만 보고서 대발견을 하지는 않았을 것이라는 게 중론이다. 만유인력의 법칙을 식으로 나타내면 다음과 같다.



여기서 F는 만유인력, m1, m2는 각 물체의 질량이며, r은 두 물체 사이의 거리를 의미한다. G는 만유인력의 상수를 뜻하며, 당시의 측정 기술로는 만유인력 상수 G의 값을 구할 수 없었으나 1798년, 영국의 물리학자인 캐번디시에 의하여 실험적으로 만유인력 상수 G의 값이 증명되었다. G의 값은 다음과 같다.



뉴턴의 법칙_7





나아가 지구가 물체를 잡아당기는 힘을 중력이라 한다. 정확히는 만유인력과 지구의 자전에 따르는 원심력을 더한 힘이다. 이러한 중력이 존재하기 때문에 우리는 공중에 떠다니지 않고 지표면에서 생활을 할 수 있는 것이다.


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