힘이란 무엇인가?#

힘(Force)은 물체의 운동 상태 또는 모양을 변화시키는 작용을 말한다. (일단 고등학교 과정 물리학에서 모양을 변화시키는 경우는 제외하자.) 아이작 뉴턴이 개념적으로 정립하였으며, 단위도 그의 이름에서 딴 뉴턴(N)으로 정의된다.

힘의 단위#

힘의 SI 단위는 **뉴턴(N)**이다. 1N은 질량 1kg인 물체에 1m/s²의 가속도를 만드는 힘으로 정의된다.

$1\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m/s}^2$

힘의 단위

힘은 크기와 방향을 모두 갖는 벡터이므로, 한 물체에 작용하는 힘도 벡터의 합으로 표현할 수 있다. 아래 시뮬레이션을 통해서 1차원에서 작용하는 모든 힘의 합(알짜힘이)에 대해서 탐구해 보자.

알짜힘은 물체에 작용하는 모든 힘의 벡터합이다. 즉, 물체가 받는 순 힘으로, 실제 물체에 작용되는 힘의 크기와 방향을 나타낸다.

알짜힘이 0이면 물체는 정지 상태 또는 등속 직선 운동을 한다. 알짜힘이 0이 아니면 물체는 가속 운동을 하게 된다.

실제 상황에서는 힘이 여러 방향에서 동시에 작용하는 경우가 많다. 2차원에서 힘의 합성은 평행사변형 법칙 또는 삼각형 법칙을 이용한다.

2차원 힘의 합성

두 힘 $\vec{F}_1$ 과 $\vec{F}_2$ 가 서로 직각으로 작용할 때, 알짜힘의 크기는 피타고라스 정리를 이용해 구할 수 있다.

|\vec{F}_{net}| = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}

알짜힘의 방향은 다음과 같이 구한다.

\theta = \tan^{-1}\left(\frac{F_2}{F_1}\right)

고등학교 물리학에서 다루는 주요 힘은 다음과 같다.

힘의 핵심 개념

힘은 크기와 방향을 가진 벡터이다.

여러 힘이 작용할 때 알짜힘으로 운동 상태가 결정된다.

알짜힘 = 0 → 정지 또는 등속 직선 운동 (평형 상태)

알짜힘 ≠ 0 → 가속 운동

다음 포스트에서는 자유물체도(Free Body Diagram)를 통해 물체에 작용하는 힘을 분석하는 방법을 알아보자.