어떤 커다란 얼어있는 호수 또는
커다란 연못이 있다고 합시다
이곳에 두꺼운 얼음이 있다고 할 때
얼음의 평평한 표면을 그리고
두 개의 네모난 얼음 조각을 두겠습니다
이곳에 한 개의 조각을 두고
이 곳에 또 다른 얼음 조각을 두겠습니다
두 조각은 모양과 성질이 동일합니다
둘 다 5kg이고
둘의 질량이 5kg입니다
한 가지 차이점이 있다면
연못에 대해서 상대적으로
왼쪽 조각은 가만히 있고
오른쪽 조각은 일정한 상대 속도로
움직이고 있습니다
오른쪽을 향한 일정한 상대 속도입니다
그리고 이 상대 속도는
5m/s입니다
여기서 얼음 표면 위에 또 얼음 조각을 두겠다고 한 이유는
이 영상에서는 마찰력이
무시할 만큼 작다고 가정할 것이기 때문입니다
그렇다면 움직이지 않고 있는 물체
다시 말해서 속도가 0인 물체
또는 일정한 속도를 가진 물체에 대해서
뉴턴의 첫번째 법칙으로부터 무엇을 알 수 있을까요?
뉴턴의 첫 번째 법칙은
속도가 일정한 물체는 힘의 균형이 깨지거나
어떤 알짜힘이 작용하지 않는 이상
그 속도를 계속 유지하거나
계속 속도가 0인 상태로 정지해 있을 것이라 말합니다
이 상황에서 생각해 봅시다
두 가지 경우 모두
물체에 작용하는 불균형한 힘
즉 알짜힘이 없어야 합니다
그런데 사실은
이 물체들은 지구 위에 있으므로
두 물체 모두에 작용하는 알짜힘이 있습니다
두 물체 모두 지구 표면 위에 있고
질량을 갖고 있으므로
아래쪽 방향으로 중력이 작용할 것입니다
두 얼음 조각에 모두 아래쪽 방향의
중력이 작용합니다
그리고 그 중력의 크기는
지구 표면 근처에서의 중력장에 (중력장은 벡터입니다)
물체의 질량을 곱한 것과 같을 것입니다
5kg 의 질량 말입니다
여기서 중력가속도 g는 9.8m/s²입니다
따라서 5에 9.8을 곱합니다
결국 49kg·m/s²
즉 49N 의 힘임을 알 수 있습니다
여기에서의 의문점은
뉴턴 제 1법칙에서는 어떤 물체가
알짜힘이 없을 때에만
계속 정지하거나 운동상태를 유지할 것이라 했는데
여기서의 그림에 의하면
알짜힘이 존재하는 것처럼 보인다는 것입니다
49N 의 힘이 물체를 아래로 당기는 것처럼 보입니다
그런데 사실은 그렇지가 않습니다
물체 아래쪽에 얼음이 놓여 있으므로
물체는 아래로 가속되지는 않을 것입니다
그렇다면 여기에서
얼음 조각이 지구 중심방향으로 받는
중력을 상쇄시켜
얼음 조각이 가만히 있도록 하는
힘은 무엇일까요?
물체를 지구 중심 방향으로 가속시켜
자유낙하시키는 힘 말입니다
답은 '얼음 바닥이 아니면
얼음 조각은 떨어질 것이므로
얼음 바닥이 중력 반대방향의
힘을 제공한다' 입니다
얼음 바닥이 중력 반대방향으로
상쇄되는 힘을 제공합니다
따라서 중력과 크기는 같고
방향은 반대인 힘이 될 것입니다
여기에서 물체에 작용하는 중력은
아래방향으로 49N이므로
이는 바닥이 얼음 조각에 가하는 위쪽방향의 힘과 완전히 상쇄됩니다
바닥이 가하는 힘 역시 49N이 될 것입니다
따라서 우리는 여전히
뉴턴의 법칙을 적용해도 되겠습니다
수직 방향으로는 알짜힘이 없음을 알았고
수평 방향으로도 당연히 알짜힘이 없기 때문입니다
이러한 이유로 왼쪽 얼음 조각의
수평방향 속도가 0이고
오른쪽 얼음 조각이 일정한 속도를 갖는 것입니다
그리고 두 조각 모두
수직 방향으로 가속하지 않습니다
얼음 바닥이 얼음 조각을
받쳐주는 힘을 제공하면서
중력을 상쇄시키기 때문입니다
여기서 받치는 힘은 '수직 항력'이라고 부릅니다
여기서 수직항력은 위쪽 방향으로 49N입니다
오른쪽 조각에도 마찬가지 입니다
수직항력에 대한 내용은 나중에 더 다루겠습니다
수직항력은 어떤 표면에 놓여 있는
물체에 대하여 표면과 수직으로
작용하는 힘입니다
수직항력은 마찰력 등에 대해 논의할 때
중요하게 작용합니다
나중의 영상들에서 경사면 위에 놓인
물체에 대해서 다룰 것입니다
이렇게 말입니다
이 경사면에서
물체에 가하는 수직항력은
경사의 표면에 수직일 것입니다
그리고 이 힘은 사실
근본적으로는 전자기력입니다
만약 얼음의 분자가 보일 정도로 확대하면
심지어 원자까지 보일 정도로 확대하면
얼음 조각이 아래로 떨어지는 것을
막아주고 있는 것은
분자들이 서로 통과할 수 없도록 하는
분자들 간의 압력인데
물 분자 말고 얼음에 있는
원자 단위까지 생각해보면
원자를 그려보겠습니다
얼음 조각 아래쪽 분자를 확대해서 그려보겠습니다
산소와 두 개의 수소가 있고
이것들은 격자 구조를 형성합니다
자세한 건 화학 영상에서 찾아보세요
얼음바닥 위쪽의 분자를 확대해서 그려보면
이렇게 그릴 수 있습니다
구조는 같습니다
위쪽 분자가 아래로 떨어지지 않도록
두 분자 사이 거리를 유지하는 힘은
위쪽과 아래쪽 분자에 각각 존재하는
전자들 사이의 반발력입니다
이 힘은 거시적인 수준에서는 접촉할 때의 힘이지만
미시적인 수준 즉 원자 단위의 수준에서는
전자기적인 반발력이 됩니다