힘 (3)

작용과 반작용의 두 힘, 즉 쌍을 이루는 두 힘이 곧바로 확인되지 않는 경우가 종종 있다. 예를 들어 물체가 아래로 떨어지는 경우, 물체에 작용하는 중력을 작용이라고 할 수 있다. 그러나 반작용의 힘을 확인하기는 쉽지 않다.
작용 반작용의 두 힘을 다루는 데 한 가지 가장 간단한 방법은 먼저 상호작용을 확인하는 것이다. 물체가 다른 물체와 상호작용한다면 작용 반작용은 다음과 같이 기억하면 쉽다. 작용은 물체 A가 물체 B에 가하는 힘, 반작용은 물체 B가 물체 A에 가하는 힘. 이때 반드시 상호 작용하는 두 물체 A와 B를 확인해야 한다. 만일 A가 B에 가한 힘이 작용이라면 반작용은 단순히 B가 A에 가한 힘이다. 물체가 떨어지는 동안 물체와 지구 사이의 상호 작용은 바로 만유인력이다. 흥미로운 것은 떨어지는 물체와 지구 사이의 상호 작용에 의해 지구가 물체를 아래로 끌어당기는 힘과 똑같은 힘으로 물체가 지구를 끌어당긴다는 사실이다. 물체와 지구 사이에 작용하는 두 힘은 같지만 물체에 비해 엄청나게 크기 때문에 지구가 이동한 거리는 물체가 이동한 거리에 비해 너무 미미하여 무시된다.
앞에서 공부한 뉴턴의 운동 제1 법칙과 제2 법칙은 힘의 효과에 관해 설명하는 내용이며, 제3 법칙은 힘의 본질적인 특성을 설명하는 내용이다.
물체가 운동하게 되는 원인은 힘이라는 것을 알았다. 그런데 힘에는 여러 가지 종류가 있다. 우리 주변에는 어떤 힘이 있을까?
가을이 되면 나뭇잎이 지면으로 떨어진다. 손에 들고 있던 물체를 놓으면 지면으로 떨어지고, 축구공을 높이 힘껏 차올라도 다시 금방 지면으로 떨어지고 만다. 이처럼 지구상의 모든 물체가 지면으로 떨어지는 이유는 무엇일까?
뉴턴이 운동의 법칙의 적용 범위를 확장하게 된 이유 중의 하나는 모든 물체 사이에 작용하는 보편적인 힘이 존재한다는 것을 증명하고 이 힘의 성질에 대해 알아보자는 것이었다.
17세기까지는 물체가 지면을 향해서 떨어지는 것은 물체의 무게 때문이며, 물체의 무게는 그 물체의 본질이라고 생각하고 그 이상 설명할 필요가 없다고 생각해왔다.
그런데 뉴턴은 물체의 무게를 지구와 물체 사이의 인력이라고 생각하였다.
시야를 넓혀서 태양계를 보면, 지구를 포함한 모든 행성이 태양 주위를 돌고 있는데, 이것은 태양과 행성 사이에도 서로 잡아당기는 힘이 있기 때문이다. 물론 나와 앞에 있는 컴퓨터 사이에도 서로 잡아당기는 힘이 있다. 다만 그 힘의 크기가 너무 작아서 느끼지 못할 뿐이다. 이처럼 우주 내에 있는 모든 물체는 다른 물체를 잡아당기는 힘이 있다.
이 힘의 크기는 두 물체의 질량의 곱에 비례하고 두 물체 사이 거리의 제곱에 반비례한다. 이것을 뉴턴의 만유인력 법칙이라고 한다. 여기서 비례 상수 G는 모든 물체에 공통적인 상수이며 만유인력 상수라고 한다. 뉴턴의 운동법칙에 의하면 지구 표면에서 물체가 일정한 가속도로 낙하하는 것은 그 물체에 일정한 힘이 계속 작용한다는 것을 의미한다. 이 힘은 바로 지구가 물체를 잡아당기는 힘이며, 이 힘이 곧 중력이다.
즉 만유인력의 하나인 중력은 지구와 지구상에 있는 물체들 사이에 작용하는 힘이며, 중력의 방향은 어디서나 지구의 중심을 향한다. 
메마른 도로에서는 걷기가 수월하지만 빙판길은 미끄럽기 때문에 걷기가 힘들다.
이것은 빙판길이 마찰이 적기 때문이다.
우리는 물체를 밀거나 당길 때, 물체에 작용하는 힘의 크기가 어느 정도 되기 전까지 물체가 움직이지 않는다는 것을 잘 알고 있다. 이것은 물체와 접촉면 사이에서 운동을 방해하는 힘이 작용하기 때문인데 이 힘을 마찰력이라고 한다.
즉, 마찰력은 물체의 움직임을 방해하는 저항과 같은 것이며 물체의 운동 방향과 반대 방향으로 작용한다. 물체를 잡아당겨도 물체가 움직이지 않을 때의 마찰력을 정지 마찰력이라고 한다. 정지 마찰력은 물체에 힘을 작용하기 시작할 때부터 생기기 시작하며, 물체가 움직이지 않는 동안은 물체에 작용한 힘과 항상 크기가 같고 방향이 반대이다. 그러나 마찰력에는 한계가 있어서 물체에 작용하는 힘의 크기가 이 한계의 마찰력보다 커지면 물체가 움직이기 시작한다.
물체가 정지해 있다가 움직이기 시작하는 순간의 마찰력의 크기는 정지 마찰력 중에서 가장 크기 때문에 최대 정지 마찰력이라고 한다. 정지 마찰력은 접촉면이 물체를 수직으로 떠받치는 힘인 수직 항력에 비례한다.
물체가 운동하고 있는 동안에도 마찰력이 작용하는데, 이렇게 물체가 운동하고 있는 동안의 마찰력을 운동 마찰력이라고 한다.
수평면 위에서 물체를 밀면 얼마 후에 물체가 정지하는 것은 물체에 운동 마찰력이 작용하기 때문이다. 물체에 힘이 계속 작용하고 있는데도 등속도 운동을 계속하는 경우는 물체에 작용한 힘과 운동 마찰력의 크기가 같기 때문이다. 
컴퓨터의 키보드의 키를 눌렀다가 놓으면 금방 원래의 위치로 되돌아오는데 그 이유는 무엇일까?
고무풍선을 손가락으로 눌렀다가 놓으면 모양이 찌그러졌다가 다시 원래의 모양으로 되돌아간다. 이처럼 물체가 힘을 받아 변형될 때 본래의 모양으로 되돌아가는 성질을 탄성이라고 한다. 
용수철의 한끝을 힘을 주어 잡아당길 때, 용수철에는 원래의 상태로 되돌아가기 위해서 반대 방향의 힘이 나타나는 데 이 힘을 탄성력이라고 한다.
용수철을 계속 늘리거나 압축하려면 계속해서 탄성력과 비기는 힘을 외부에서 작용해야 한다. 다른 말로 하면, 탄성력은 훅의 법칙에서 구한 외부에서 작용한 힘과 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 말하는 것이다. 탄성력은 변형의 크기에 비례하고 탄성력은 외부에서 물체에 작용하는 힘과 반대로 작용한다.