힘 (물리)
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힘은 물리학에서 질량을 갖는 물체의 속도와 같은 운동상태를 변화시키거나 모양을 변화시키는 원인이 되는 물리량을 말한다. 힘은 크기와 방향을 갖는 벡터량이다. 뉴턴의 두번째 법칙은 알짜힘의 크기가 질량과 가속도에 비례함을 나타낸다.
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[편집] 개요
힘은 크기와 방향을 갖은 벡터량이다. 예를 들어 홍길동이 옆에 있는 사람을 떠 민다면 얼마나 세게 미는가(크기)와 어느 쪽으로 미는가(방향)를 모두 고려해야 한다. 하나의 물체가 운동할 때에는 서로 다른 크기와 방향을 갖는 여러 힘이 가해진 결과일 수 있다. 이렇게 하나의 물체가 운동하는데 관여한 모든 힘을 합하여 실제 물체가 운동하는데에 작용한 힘을 알짜힘(합력)이라 한다. 물리학에서 다루는 힘은 작용하는 주체와 대상이 존재하는 상호 관련된 양이다. 위의 예와 같이 홍길동이 옆 사람을 민다면 힘의 주체는 홍길동이고 대상은 옆 사람이다. 이 때 홍길동도 옆 사람을 떠민 만큼 옆 사람도 홍길동에게 작용하는데 이를 반작용이라 한다.[1]
하나의 물체에 가해진 알짜힘은 그것을 구성하는 원래의 힘들로 분해하여 파악할 수 있다. 예를 들어 목수가 나무에 못을 박을 경우 못을 때리는 망치가 왼쪽의 그림과 같이 비스듬히 내리친다면 망치를 통해 전해지는 알짜힘(붉은색 화살표)은 수직성분(파란색 화살표)과 수평성분(녹색 화살표)으로 나누어 생각할 수 있다. 이 경우 알짜힘의 크기를 키우려면 망치가 못을 칠 때 정학히 수직이 되도록하여 수직성분의 힘을 키워야 할 것이다. 실제의 경우 못이 일단 나무에 박히면 망치면이 수직이 되게 못을 치는 것이 보다 수월해 지므로 목수들은 처음에는 약한 힘으로 망치를 사용하여 못이 나무에 자리잡게 만들고 점점 세게 쳐서 못이 잘 박히게 한다.[2]
[편집] 정의
힘은 질량을 갖는 물체의 운동 (물리학) 상태를 변화하게 한다. 질량이 클수록 같은 정도의 운동 상태 변화를 가져오기 위해선 더 큰 힘이 필요하다. 한편, 운동 상태의 변화를 더욱 크게 하기 위해서도 더욱 큰 힘이 필요하다. 즉, 힘은 물체의 질량과 가속도에 비례한다. 아이작 뉴턴은 이를 《자연철학의 수학적 원리》에서 뉴턴의 운동 법칙의 두번째 법칙으로 정리하였다.[3] 힘은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
- F: 힘, p: 운동량, t: 시간
위 식은 힘이 단위 시간에 대한 운동량의 변화로 정의될 수 있음을 나타낸다. 한편, 힘은 질량과 가속도의 관계에서 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
- F: 힘, m: 질량, a:가속도
[편집] 단위
힘의 SI 유도 단위는 뉴턴(N)이다. 1 뉴턴은 1 Kg의 질량을 갖는 물체에 1m/s2의 가속도를 가했을 때의 힘으로 정의된다. 유도식은 다음과 같다.
[편집] 종류
- 근원적인 힘: 실제로 존재하는 힘이다. 자연의 네가지 힘 - (중력, 전자기력, 강력, 약력)
- 파생적인 힘: 근원적인 힘에 의해 파생적으로 생기는 힘으로 만약 근원적인 힘이 없다면 파생적인 힘도 존재하지 않는다. (예 마찰력, 탄성력)
-중력 -자기력 -마찰력 -전기력 -탄성력
