관성의 법칙 및 예시

Last Updated on 2025-04-15 by BallPen

뉴턴의 운동 법칙 중 하나인 관성의 법칙과 그 예시를 알아 봐요.

관성의 법칙 정의와 예시를 설명드립니다. 이번 글을 시작으로 가속도의 법칙, 작용-반작용의 법칙을 순차적으로 설명드릴 거에요.

뉴턴의 운동법칙은 유도되거나 증명될 수 없기 때문에 근본적인 자연법칙으로 볼 수 있어요. 뉴턴의 운동법칙은 다음의 세가지 법칙을 말합니다.

뉴턴의 운동 제1법칙 : 관성의 법칙

뉴턴의 운동 제2법칙 : 가속도의 법칙

뉴턴의 운동 제3법칙 : 작용-반작용의 법칙

간혹 만유인력의 법칙이 뉴턴의 운동 법칙에 포함되는 것으로 착각하기 쉬운데요. 만유인력의 법칙은 힘에 관한 법칙으로 뉴턴의 운동 법칙에 포함되지 않습니다.

이제부터 각각의 법칙에 대해 알아봐요. 아래는 이번 글의 목차입니다.

1. 뉴턴의 운동 제1법칙

1-1. 정의

제1법칙인 관성의 법칙은 다음과 같이 정의됩니다.

관성의 법칙 : 관성계에서 물체에 작용하는 알짜힘이 0이라면 그 물체는 정지 또는 등속직선운동상태를 유지한다.

1-2. 의미

이 법칙은 물체에 작용하는 힘이 없을때 물체가 어떤 상태로 있게 되느냐를 설명하는 근본 법칙이에요. 그래야 힘이 작용할 때 물체가 어떻게 움직이는지를 구분해서 설명할 수 있을 테니까요.

그리고 관성의 법칙이 성립하는 공간을 관성계라고 정의한 것도 아주 중요해요. 이를 반대로 해석하면 관성의 법칙이 성립하지 않는 공간이 있다는 것을 짐작할 수 있어요.

그러니까 물체에 작용하는 알짜힘이 0이더라도 물체가 정지 또는 등속직선운동을 하지 않는 공간이 있을 수 있다는 거죠. 그 공간을 비관성계라고 합니다.

결국 관성의 법칙은 관성계에서만 성립하는 법칙이며, 그 관성계에서 물체에 작용하는 알짜힘이 없다면 물체는 정지 또는 등속직선운동한다는 의미에요.

그리고 지구는 엄밀히 말해 비관성계이지만 그 효과가 아주 작아 관성계로 간주한답니다.

아울러 관성의 크기는 질량이 결정해요. 질량이 클수록 정지 또는 등속직선운동하려는 관성의 성질이 강해요.

2. 관성의 법칙 예시

2-1. 일반적 예시

관성의 법칙에 대한 일반적 예시에요.

• 컵 위에 종이를 깔고 그 위에 동전을 올려놓은 후 종이를 빠르게 빼내면 동전이 컵안으로 떨어진다. 종이가 빠져나가므로 그 위 동전도 함께 움직여야 할 것 같지만 동전은 관성의 법칙 때문에 정지해 있으려 하고 결국 컵 안으로 떨어진다. 이 실험은 동전의 질량이 클수록 실험이 잘 돼요. 왜냐하면 질량이 클수록 관성이 커지기 때문이에요.
• 등속으로 달리던 버스가 갑자기 브레이크를 밟으면 승객의 몸이 앞으로 쏠린다. 그 이유는 승객은 등속직선운동하려고하나 버스가 감속하니 몸이 앞으로 쏠리는 현상으로 나타난 것이다.
• 줄에 매달려 등속원운동하는 물체에서 갑자기 줄이 끊어지면 물체는 접선방향으로 등속직선운동을 하며 날아간다. 즉, 줄이 끊어지는 순간 물체에 작용하는 힘이 사라지므로 물체는 등속직선운동을 하게 된다.

관성의 법칙에 대해 NASA에서 실험한 사진이에요. 우주인 앞에 있는 빨간색 물체에 어떠한 힘도 가해지지 않는다면 그 물체는 정지상태로 있으려고 해요.

아래는 유튜브 실험 동영상입니다. 관성의 법칙을 이해하는데 도움이 될거에요.

2-2. 조금 어려운 예시

이번에는 관성계에 주안점을 둔 관성의 법칙 예시에요. 이 예시가 관성의 법칙에 대한 보다 엄밀한 예시로 볼 수 있어요.

• 땅(지구) 위에 물체를 놓으면 물체는 정지상태에 있다. 그리고 등속직선운동하는 버스 바닥에 물체를 놓아도 정지상태에 있다. 땅위에 있는 사람이 등속직선운동하는 버스 속 물체를 볼 수 있다면 물체는 등속직선운동한다. 결국 땅(지구) 위이던 등속직선운동하는 버스이던 물체는 정지 또는 등속직선운동을 하므로 모두 관성계이다.

한편 모든 관성계에서 물리학의 법칙은 동일하게 나타납니다. 바꾸어 말하면 비관성계에서는 물리학의 법칙이 다르게 나타나요. 이에 대한 예시는 다음과 같아요.

• 관성계에서는 물리학의 법칙이 동일하게 나타난다. 예를 들어 관성계인 땅 위에서 수직으로 물체를 던지면 수직으로 낙하하여 손바닥 위에 떨어진다. 또 다른 관성계인 등속직선운동하는 버스에서 물체를 수직으로 던져올려도 물체는 그대로 낙하하여 손바닥 위에 떨어진다. 이것은 땅 위, 그리고 등속직선운동하는 버스가 모두 관성계이기 때문이다. 하지만 감속하거나 가속하는 버스에서 물체를 수직으로 던져올리면 물체는 내 손바닥위에 그대로 떨어지지 않고 앞이나 뒤로 떨어진다. 이것은 가속(또는 감속)하는 버스는 비관성계이기 때문에 관성계와는 물리현상이 다르게 나타나기 때문이다.

이번 글에서는 관성의 법칙에 대해 설명드렸습니다. 다음 글에서 가속도의 법칙에 대해 설명드릴게요.