글로벌 세계 대백과사전/수학·물리·화학·실험/물리/힘과 운동/힘의 균형
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힘의 균형
편집힘의 성질·종류
편집우리가 힘을 직접 의식하는 경우는 무거운 물체를 떠받치고 있거나 공 따위를 던질 때와 같이 근육이 긴장하고 있을 때이다. 그러나 근육에 느끼는 경우뿐이 아니라 물체 A가 다른 물체 B를 지탱하거나, 물체 B의 운동 상태를 변화시키거나 할 때 물체 A는 물체 B에 힘을 작용했다고 말한다. 물리학에서 다루는 힘을 두 물체 사이의 상호 작용, 즉 작용과 반작용으로 나타낸다. 또한 힘은 두 개의 물체가 직접 접촉하여 작용하는 힘과, 공간을 사이에 두고 작용하는 힘으로 크게 나눌 수 있다. 전자를 근접 작용의 힘, 후자를 원격 작용의 힘이라고 한다.
근접 작용의 힘
편집近接作用－力 두 개의 물체나 유체(流體)가 접촉하여 서로 밀 때의 전압력, 서로 끌어당길 때의 장력, 유체를 변형시켰을 때 나타나는 탄성력, 책상 위에 놓인 물체가 책상의 표면으로부터 받는 항력, 거칠거칠하고 고르지 못한 표면 위에서 물체를 당길 때 그 운동을 방해하는 마찰력 등 그 예는 매우 많다. 물체에 힘이 작용하고 있더라도 눈에 보이지는 않는다. 그러나 투명한 플라스틱에 힘을 가하면 형태가 변하고 내부에 일그러짐이 생기므로 광탄성 장치를 이용하여 그 일그러진 상태를 볼 수 있도록 하여 힘이 부하되는 상태를 조사할 수가 있다.
원격 작용의 힘
편집遠隔作用－力 두 개의 물체가 공간을 사이에 두고 떨어진 사이에서 작용하는 힘에는, 지구가 지상의 물체에 작용하는 중력, 천체 등 모든 물체 사이에 작용하는 만유 인력, 자석과 자석 사이의 자력, 전기를 띤 물체간의 전기력, 전류가 흐르고 있는 도선간의 힘 등이 있다. 천체간의 인력과 같이 중간에 아무것도 없는 공간을 사이에 두고 어떻게 힘이 작용하고 있는 것일까. 원격 작용의 힘은 그 설명이 많은 학자들을 괴롭혀 왔다. 한때는 에케르라는 가상의 물질이 공간을 채우고 있어서, 그것이 힘을 전달한다고 생각한 적도 있었다. 하지만 오늘날에는 '장'이라 하는 공간에 생기는 일종의 일그러짐을 가정하고, 이것에 의해 힘이 전달된다고 생각하고 있다. 이러한 가상에 의한다면, 원격 작용의 힘은 순간적으로 전달되는 것이 아니라 빛의 전달과 같은 시간이 필요하게 된다.
힘의 3요소
편집力－三要所 힘의 작용은 그 크기만으로는 결정되지 않는다. 예를 들면, 끈으로 매단 모래 주머니의 중심 가까이를 떄리는 것과 상부 가까이를 때리는 것은 모래 주머니의 움직임이 각기 다르다. 즉, 힘의 크기 외에도 힘이 물체의 어느 점에, 어느 방향으로 작용하느냐에 따라서 그 효과가 다르다. 따라서 힘을 나타내려면 힘의 크기, 힘의 방향(힘의 작용선), 힘이 미치는 점(작용점)의 세 가지를 지정하지 않으면 안 된다. 이를 힘의 3요소라고 한다.
힘의 전달
편집力－傳達 힘을 가하여도 형태가 변하지 않는 고체의 어느 한 곳에 힘을 가했을 경우, 그 작용점을 힘의 작용선상의 다른 어떤 곳에 이동하여도 힘의 효과는 변함이 없다. 늘어나거나 줄어들지 않는 줄이나 막대기로 물체를 당기거나 밀거나 할 때도 물체가 움직이지 않는 한, 그 물체의 한쪽 끝에 가해진 힘은 그대로 물체에 전달된다. 그러나 힘을 가함으로써 균형이 깨져 가속도 운동을 할 때에는 줄이나 막대기의 질량이 물체의 질량에 비하여 무시할 수 없는 한 그 한쪽 끝에 가한 힘보다도 물체에 접촉한 점에서 작용하는 힘은 작아진다.
힘의 균형
편집力－均衡 하나의 물체에 여러 가지 힘이 동시에 작용하고, 물체가 정지하거나 또는 등속도 운동을 하고 있을 때, 이러한 힘들은 균형되어 있다고 한다. 하나의 물체에 작용하는 힘이 동일선상에 있으며, 크기가 같고, 방향이 반대일 때, 이 두 힘은 균형을 이룬다. 이 경우 두 힘이 동일한 점에 작용하지 않아도 된다. 어느 쪽으로도 움직이지 않아 승부가 나지 않을 때의 줄다리기나 막대 밀기가 이 예이다.
마찰력
편집摩擦力 나무조각을 올려놓은 판자의 면이 거칠고 매끄럽지 않을 때는 판자를 어떤 범위내에서 기울여도 나무조각은 그대로 움직이지 않고 있다. 그림과 같이 나무조각에 작용하는 힘은 중력 w와 항력 R뿐이므로 이 두 힘은 균형을 이루고 있다. 판자가 기울어 있어도 중력 w는 염직 하향(鉛直下向)이므로, 이 경우 이것과 균형이 잡힌 항력 R은 경사면에 수직인 성분 N과 경사면에 따른 성분 F도 분해했을 때, N을 수직 항력, F를 마찰력이라 한다. 판자의 경사 각도를 점점 크게 해서 마침내 나무조각이 미끄러지기 시작할 때의 각도를 θ라고 하면, θ는 정지면과 나무조각의 접촉 면적에 관계없이 접촉하는 두 변의 성질만으로 결정된다. 보통 물체가 경사면을 미끄러지지 시작할 때 경사면의 각도 θ를 마찰각이라고 한다.