힘과 가속도 (뉴턴 운동 제2 법칙)

Newton's second law

같은 힘으로 밀어도 빈 수레는 휙 나가고 짐 실은 수레는 꿈쩍 않는 까닭을 식 하나로 말할 수 있을까요?

무슨 일이 일어났나

뉴턴 운동 제2 법칙: 물체의 가속도는 알짜힘에 비례하고 질량에 반비례합니다 — 식으로 쓰면 F = m·a 입니다.

NASA 는 가속도가 힘의 크기에 비례하고, 같은 힘이면 무거운 물체가 가벼운 물체보다 덜 가속한다고 설명합니다.

시뮬레이터에서 바닥이 40 kg 사람을 472 N 으로 밀고 무게 392 N 이 아래로 당기면, 남는 80.0 N 이 2.00 m/s² 를 만들어 1 초 뒤 엘리베이터가 2.00 m/s 가 됩니다.

질량을 80 kg 으로 2 배 하면 같은 2 m/s² 를 내는 데 바닥이 945 N 으로 밀어야 합니다 — 필요한 알짜힘도 2 배인 160 N 입니다.

SI 안내서(BIPM)도 «힘 = 질량 × 가속도» 를 F = ma 로 적습니다.

💡 생활 속 예시

  • 체육 시간에 배구공과 농구공을 같은 힘으로 밀어 굴리면 가벼운 배구공이 더 빨리 빨라집니다.
  • 자동차는 짐을 가득 싣고 사람이 다 타면 출발할 때 덜 힘차게 빨라집니다 — 엔진 힘은 같은데 질량이 늘었기 때문입니다.

🙅 오해 깨기오해 모음 보기

  • 힘을 받으면 물체는 그 힘에 비례하는 «빠르기» 로 움직인다.

    힘에 비례하는 것은 빠르기가 아니라 가속도(빠르기의 변화)입니다. NASA 는 바깥 힘을 받은 물체가 가속하며 그 가속도가 힘의 크기에 비례한다고 설명합니다. 출처

  • 무거운 물체도 같은 힘을 받으면 똑같이 빨라진다.

    NASA 설명대로 같은 힘이면 무거운 물체가 덜 가속합니다 — 가속도는 질량에 반비례합니다. 출처

누가 왜 찾았나

뉴턴은 둘째 법칙에서 힘을 «운동량(질량 × 속도)이 시간에 따라 바뀌는 정도» 로 정의했습니다. 질량이 그대로라면 이것이 우리에게 익숙한 F = m·a 가 된다고 NASA 는 풀어 설명합니다. 이 법칙을 담은 『프린키피아』는 1687 년에 책으로 나왔습니다.

확인된 값

가속도는 질량과 가한 힘에 따라 정해진다 (NASA)
F = m a 출처
『프린키피아』가 책으로 나온 해
1687 출처
힘 = 질량 × 가속도 (SI 안내서의 보기 식)
F = m a 출처
같은 힘이면 무거운 물체가 덜 가속한다 (NASA)
a ∝ 1/m 출처
가속도는 힘의 크기에 비례한다 (NASA)
a ∝ F 출처
둘째 법칙의 힘 = 운동량이 시간에 따라 바뀌는 정도 (NASA)
F = Δ(mV)/Δt 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 물리학 · 힘과 에너지 [12물리01-02]
  • 한국 2022 · 과학(중학교) · 힘의 작용 [9과05-03]
  • 호주 v9 · AC9S10U05

출처

이어서 보기

같은 단원 · 힘과 뉴턴 법칙

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