반응(물리학)

Reaction (physics)

뉴턴의 고전역학 운동 법칙의 세 번째에 기술된 바와 같이, 모든 힘은 한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면 두 번째 물체가 첫 번째 물체에 동등하고 반대되는 반작용력을 발휘하는 것과 같은 쌍으로 일어난다.[1][2] 제3법칙은 또한 보다 일반적으로 다음과 같이 명시되어 있다: "모든 행동에는 항상 동등한 반작용이 있다: 또는 서로에 대한 두 신체의 상호 작용은 항상 동일하며, 반대되는 부분으로 향한다."[3] 두 힘 중 어느 것이 작용이고 어떤 것이 반응인지 귀속하는 것은 자의적이다. 둘 중 하나는 작용으로 간주할 수 있는 반면, 다른 하나는 관련 반응이다.

예

접지와의 상호작용

무언가가 지면에 힘을 발휘하고 있을 때, 지면은 반대 방향에서 동등한 힘으로 뒤로 밀릴 것이다. 생체역학과 같은 응용물리학의 특정 분야에서는 지상에 의한 이 힘을 '지반 반응력'이라고 하며, 지상에 있는 물체에 의한 힘을 '행동'으로 본다.

누군가가 뛰어내리고 싶을 때, 그 혹은 그녀는 지면에 추가적인 하향 힘을 가한다('행동'). 동시에 지면이 사람에게 위력을 발휘한다('반동'). 이 상승력이 사람의 체중보다 크면 상승 가속도가 붙는다. 이러한 힘이 지면에 수직일 때는 정상 힘이라고도 한다.

마찬가지로, 차량의 회전하는 바퀴는 지면을 가로질러 뒤로 미끄러지려고 시도한다. 지면이 너무 미끄럽지 않으면, 이것은 한 쌍의 마찰력 즉, 지면에 있는 바퀴가 후진 방향으로 '행동'을 하고, 지면에 있는 '반동'을 전진 방향으로 하는 결과를 낳는다. 이 전방력은 차량을 추진시킨다.

중력

태양과 지구와 유사한 두 개의 몸체, 즉 질량의 차이가 극심하게 나 있음 – 빨간색 X는 양중점을 표시한다.

다른 행성들 중에서도 지구는 태양을 공전한다. 왜냐하면 태양이 구심력 역할을 하는 중력을 발휘하기 때문이다. 그렇지 않으면 지구는 우주로 날아가 버릴 것이다. 태양의 당김이 작용으로 간주되면, 지구는 동시에 태양에 대한 중력 당김으로서 반응을 발휘한다. 지구의 끌어당기는 진폭은 태양과 동일하지만 반대 방향이다. 태양의 질량은 지구의 질량보다 훨씬 크기 때문에, 태양은 일반적으로 지구의 당김에 반응하는 것처럼 보이지 않지만, 사실 애니메이션에서 보여지듯이(정확한 스케일이 아니다) 그렇다. 두 물체의 결합 운동을 기술하는 올바른 방법은 두 물체 모두(현재로서는 다른 모든 천체를 무시함) 두 물체가 결합체계의 쌍중점이라고 하는 천문학에서 언급하는 질량 중심 주위를 공전한다고 하는 것이다.

지지 질량

지구상의 어떤 질량도 지구의 중력에 의해 아래로 당겨진다. 이 힘을 무게라고도 한다. 그에 상응하는 '반응'은 질량이 행성에 가하는 중력이다.

물체가 매달려 있는 케이블이나 아래 표면 또는 물체가 떠 있는 액체에 의해 물체가 정지 상태를 유지하도록 지지되는 경우, 위쪽 방향으로 지지력(장력력, 정상력, 부력력 각각)도 있다. 이 지지력은 '평등하고 반대되는' 힘이다. 우리는 이것을 뉴턴의 제3법칙 때문이 아니라 물체가 정지해 있기 때문에 힘의 균형이 유지되어야 한다는 것을 알고 있다.

이 지지력에는 물체가 지지 케이블을 아래로 당기거나 지지 표면이나 액체를 아래로 누르는 '반동'도 있다. 따라서 이 경우 동일한 크기의 네 가지 힘이 있다.

  • F1. 물체에 대한 지구별 중력(아래쪽)
  • F2. 지구상의 물체에 의한 중력(상향)
  • F3. 물체에 대한 지지에 의한 힘(상향)
  • F4. 지지대에 대한 물체별 힘(아래쪽)

뉴턴의 제3법칙으로 인해 힘1 F와 힘이2 같으며 힘 F와3 F도 마찬가지다4. 힘 F와1 F는3 물체가 평형 상태일 경우에만 동일하며, 다른 힘은 가하지 않는다. (이것은 뉴턴의 제3법칙과는 무관하다.)

샘 위의 미사

질량이 스프링에 매달려 있는 경우 이전과 동일한 고려사항을 적용한다. 그러나 이 시스템이 뒤틀린 경우(예: 질량을 위아래로 약간 차게 하는 경우), 질량은 위아래로 진동하기 시작한다. 이러한 가속(및 후속 감속) 때문에, 우리는 뉴턴의 두 번째 법칙으로부터 관찰된 속도 변화에 대해 순력이 책임이 있다는 결론을 내린다. 질량을 끌어내리는 중력은 더 이상 샘의 위로 올라가는 탄성력과 같지 않다. 앞 절의 용어에서 F와1 F는3 더 이상 같지 않다.

그러나 이것은 뉴턴의 제3법칙에서 요구하는 것이므로 F1 = F2, F = F는3 여전히4 사실이다.

원인오류

'행동'과 '반동'이라는 용어는 마치 '행동'이 원인이고 '반동'이 효과인 것처럼 오해의 소지가 있는 인과관계를 암시한다. 그러므로 제2의 힘이 제1의 힘 때문에 거기에 있다고 생각하기 쉽고, 심지어 제1의 힘 이후 어느 정도까지 발생한다고 생각하기 쉽다. 이것은 틀렸다; 그 힘은 완벽하게 동시다발적이며, 같은 이유로 거기에 있다.[4]

사람의 의지에 의해 힘이 발생할 때(예: 축구선수가 공을 차는 경우) 이러한 경과적 원인은 종종 비대칭적 해석으로 이어지며, 여기서 공에 의한 힘은 '행동'으로, 공에 의한 힘은 '반동'으로 간주된다. 그러나 물리적으로 상황은 대칭적이다. 공과 선수에 가해지는 힘은 둘 다 근접성에 의해 설명되며, 이는 한 쌍의 접촉력(궁극적으로 전기적 반발에 기인)을 초래된다. 이러한 근접성이 선수의 결정으로 야기된다는 것은 물리적 분석과는 아무런 관계가 없다. 물리학에 관한 한, '행동'과 '반작용'이라는 꼬리표는 뒤집힐 수 있다.[4]

'동등과 반대'

물리학 교육자들이 자주 관찰하는 한 가지 문제는 학생들이 뉴턴의 세 번째 법칙을 같은 물체에 작용하는 '평등하고 반대되는' 힘 쌍에 적용하는 경향이 있다는 것이다.[5][6][7] 이것은 틀렸다; 세 번째 법칙은 두 개의 다른 물체에 가해지는 힘을 말한다. 예를 들어 책상에 누워 있는 책은 아래 중력(지구가 돌출한 것)과 위쪽의 정상 힘에 의해 표에 의해 좌우된다. 책이 가속되지 않기 때문에, 뉴턴의 제1법칙이나 제2법칙에 따르면 이러한 힘은 정확히 균형을 이루어야 한다. 그러므로 그들은 '같고 반대'이다. 그러나 이러한 힘들이 항상 동등하게 강한 것은 아니다; 책이 제3의 힘에 의해 밀려 내려오거나 테이블이 비스듬히 기울어져 있거나 테이블과 책 시스템이 가속 엘리베이터 안에 있다면 그들은 다를 것이다. 세 가지 이상의 힘의 경우는 모든 힘의 합계를 고려하여 다룬다.

이 문제의 가능한 원인은 제3법이 흔히 다음과 같이 축약된 형태로 명시되어 있기 때문이다. 모든 행동에는 세세한 부분 없이,[8] 즉 이러한 힘이 두 개의 다른 물체에 작용한다는 것과 같은 반작용이 있다. 더구나 어떤 물체의 무게와 정상적인 힘 사이에는 인과관계가 있다: 어떤 물체가 무게가 없다면 테이블로부터 지지력을 경험하지 못할 것이고, 그 무게는 지지력이 얼마나 강해질 것인지를 지시한다. 이러한 인과관계는 제3법칙에 의한 것이 아니라 제도에 있어서의 다른 물리적 관계에 의한 것이다.

구심력 및 원심력

또 다른 일반적인 실수는 "물체가 경험하는 원심력은 그 물체에 대한 구심력에 대한 반응"[9][10]이라고 말하는 것이다.

만약 물체가 구심력과 동일하고 반대되는 원심력을 동시에 받는다면, 결과적인 힘은 사라질 것이고 물체는 순환 운동을 경험할 수 없을 것이다. 원심력을 가공력 또는 유사력이라고 부르기도 하는데, 이러한 힘은 비침투성 기준 프레임에서 계산이나 측정을 할 때만 나타나는 사실을 강조하기 위해서입니다.[11]

참고 항목

참조

  1. ^ Taylor, John R. (2005). Classical Mechanics. University Science Books. pp. 17–18. ISBN 9781891389221.
  2. ^ Shapiro, Ilya L.; de Berredo-Peixoto, Guilherme (2013). Lecture Notes on Newtonian Mechanics: Lessons from Modern Concepts. Springer Science & Business Media. p. 116. ISBN 978-1461478256. Retrieved 28 September 2016.
  3. ^ 제3법칙의 이 번역과 그에 따른 해설은 1729년 번역본 제1권 20쪽에 있는 '프린키피아'에서 확인할 수 있다.
  4. ^ a b Brown, David (1989). "Students' concept of force: the importance of understanding Newton's third law". Phys. Educ. 24 (6): 353–358. doi:10.1088/0031-9120/24/6/007. Even though one body might be more ‘active’ than the other body and thus might seem to initiate the interaction (e.g. a bowling ball striking a pin), the force body A exerts on body B is always simultaneous with the force B exerts on A.
  5. ^ Colin Terry and George Jones (1986). "Alternative frameworks: Newton's third law and conceptual change". European Journal of Science Education. 8 (3): 291–298. Bibcode:1986IJSEd...8..291T. doi:10.1080/0140528860080305. This report highlights some of the difficulties that children experience with Newton's third law.
  6. ^ Cornelis Hellingman (1992). "Newton's Third Law Revisited". Physics Education. 27 (2): 112–115. Bibcode:1992PhyEd..27..112H. doi:10.1088/0031-9120/27/2/011. ... following question in writing: Newton’s third law speaks about ‘action’ and ‘reaction’. Imagine a bottle of wine standing on a table. If the gravitational force that attracts the bottle is called the action, what force is the reaction to this force according to Newton’s third law? The answer most frequently given was: ‘The normal force the table exerts on the bottle’.
  7. ^ French, Anthony (1971), Newtonian Mechanics, p. 314, … Newton’s third law, that ‘‘action and reaction are equal and opposite’’
  8. ^ Hall, Nancy. "Newton's Third Law Applied to Aerodynamics". NASA. Archived from the original on 2018-10-03. for every action (force) in nature there is an equal and opposite reaction
  9. ^ Adair, Aaron (2013), Student Misconceptions about Newtonian Mechanics: Origins and Solutions through Changes to Instruction, This was attacked by Newton who tried to have the centripetal force on the planets (from gravitational interactions) be matched by the centrifugal force so there would be a balance of forces based on his third law of motion
  10. ^ Aiton, Eric (1995), Swetz, Frank; et al. (eds.), An Episode in the History of Celestial Mechanics and its Utility in the Teaching of Applied Mathematics, Learn from the Masters, The Mathematical Association of America, ISBN 978-0883857038, ... in one of his attacks on Leibniz written in 1711, Newton says that centrifugal force is always equal and opposite to the force of gravity by the third law of motion.
  11. ^ Singh, Chandralekha (2009), "Centripetal Acceleration: Often Forgotten or Misinterpreted", Physics Education, 44 (5): 464–468, arXiv:1602.06361, doi:10.1088/0031-9120/44/5/001, S2CID 118701050, Another difficulty is that students often consider the pseudo forces, e.g., the centrifugal force, as though they were real forces acting in an inertial reference frame.

참고 문헌 목록

  • 파인만, R. P., 레이튼, 샌즈(1970) 파인만 물리학 강의, 제1권, 애디슨 웨슬리 롱먼, ISBN 0-201-02115-3.
  • 레스닉, R., D. Hallyday (1966년) 물리학, 1부, 존 와일리 & 선즈, 뉴욕, 646 pp + 부록.
  • 워렌, J. W. (1965) 런던 버터워스 물리학의 가르침, 130 pp.