2. 기본공부하기 Part2

저번시간에는 기본단위, 밀도 및 비중, 질량과 무게에 관하여 공부하였다.

이번시간에는 힘의 정의와 뉴턴의 3가지 법칙에 대해서 포스팅 할 것이다.

1. 힘의 정의

힘은 반대가 아닌 경우 물체의 움직임을 변화시키는 모든 상호 작용이다. 힘은 질량을 가진 물체가 속도를 변화시킬 수 있는데, 이것은 물체가 가속하게 한다.

힘은 '밈' 또는 '당김' 과 같은 직관적인 개념으로도 말할 수 있다. 물체가 한쪽 끝에서 고정되면 당김시 인장 하중이 발생한다. 반대로 밀면, 압축 하중이 발생한다.

힘은 아이작 뉴턴의 이름에서 따와서 '뉴턴'또는 'N'단위로 측정된다.

뉴튼의 제 2 법칙에 기초하여, F = ma 즉, 질량 1kg의 몸체가 1 m/s^2의 가속을 하면 1N 이라고 할 수 있다.

단위로 보면:

2. 뉴턴의 운동법칙

1687년 Isaac Newton에 의해 정의된 Newton의 세 가지 운동 법칙은 물리학의 기본 원리가 된다.

• 제 1법칙 (관성의 법칙)

모든 물체는 외부로부터 힘이 작용하지 않는 한 정지해 있던 물체는 계속 정지 상태로 있고 움직이던 물체는 계속 일직선 위를 똑같은 속도로 운동한다는 법칙을 말한다.

간단히 말해서, 어떤 물체도 움직이지 않는 상태 (정지 상태)이거나 외부 힘이 작용하지 않는 한 일정한 속도로 움직인다.

• 제 2 법칙 (힘과 가속도의 법칙)

운동하는 물체의 가속도는 힘이 작용하는 방향으로 일어나며, 그 힘의 크기에 비례한다.

이 법칙은 물체에 작용하는 불균형한 힘이 시간이 지남에 따라 물체의 운동량을 변화시키는 결과를 낳는다.

운동량의 정의에 의해 :

뉴턴의 두 번째 법칙은 일정한 질량의 시스템에만 적용되므로 m은 미분 연산자 외부로 이동할 수 있다. 

방정식은 다음과 같다:

가속도의 정의를 대체함으로써, 즉 시간에 대한 속도의 미분이라는 것을 알면, Newton의 제 2 법칙의 대수 버전이 도출된다.

• 제 3 법칙 (작용과 반작용의 법칙)

어떤 물체에 힘이 작용할 때에는 항상 두 물체가 관련되어 한 쌍의 힘으로 나타나는데, 그중 한 힘을 작용이라고 한다면 다른 힘은 반작용이 된다.

다시 말해, 모든 힘은 서로 다른 신체 사이의 상호 작용이므로 단일 방향의 힘이나 오직 하나의 몸에만 작용하는 힘은 없습니다. 제 1 몸체가 제 2 몸체 상에 힘 (F)을 가할 때마다, 제 2 몸체는 제 1 몸체에 -F와 동일한 힘을가한다. F와 -F 모두 크기가 같고 방향이 반대입니다. 이 법칙은 때로는 '작용 - 반작용 법칙'이라고 불리며, F는 '작용', -F는 '반작용'이라고 불린다. 수학적으로 :

물체 1과 물체 2가 동일한 시스템에 있다고 간주되면 물체 1과 물체 2 사이의 상호 작용으로 인한 시스템의 총 유효성은 다음과 같은 경우 0 이다.

또는

상호 연결된 구조에서 하중을 계산할 때 사용하는 것은 뉴턴의 세 번째 법칙이다.

출처: 솔렌트 대학교 Structural mechanics 교재