힘(1)

힘은 눈에 보이지도 않고 손으로 만져볼 수도 없는데 어떻게 알아볼 수 있으며, 어떻게 나타낼 수 있을까?
고무풍선을 손으로 누르면 모양이 달라지고 더 세게 누르면 풍선이 터지고 만다. 또 손에 들고 있던 야구공을 던지면 공중으로 날아가고, 앞으로 굴러오는 축구공을 발로 차면 굴러오던 방향과 다른 방향으로 멀리 날아간다.
이것은 모두 그 물체에 힘이 작용하였기 때문이다. 이처럼 힘은 물체의 모양이나 운동 상태를 변화시키는 요인이므로, 물체의 변형이나 운동 상태의 변화 정도로 힘이 얼마나 크게 작용하였는지 알 수 있다.
운동의 원인이 힘이라는 것은 알았지만, 힘만 있다고 되는 것이 아니다.
힘을 잘 이용할 줄 아는 씨름선수가 상대방을 쉽게 이길 수 있다. 가벼운 가방 정도는 작은 힘으로 들어 올릴 수 있지만 티브이나 냉장고, 세탁기와 같이 무거운 물체를 운동시키려면 큰 힘이 필요한 것처럼 물체를 운동시키기 위해서는 그에 적당한 크기의 힘을 작용시켜야 하면, 물체를 운동시키려는 방향으로 작용시켜야 한다.
같은 힘이 작용하더라도 힘을 어디에 작용하느냐에 따라 그 결과는 달라지는데 힘을 이용하는 데에 있어서 크기, 방향, 작용점을 고려하여 힘을 작용시켜야 한다. 이때 크기, 방향, 작용점을 힘의 3요소라고 한다.
어떤 힘을 줬을 때 그 힘을 나타내기 위해서는 힘의 3요소를 함께 표시해야 한다. 힘을 나타낼 때는 화살표를 이용하면 힘의 3요소를 한꺼번에 표시할 수 있다.
우선 힘을 작용하는 곳에 점을 찍고 그곳을 시작점으로 하여 힘을 작용하는 방향으로 화살표를 긋고, 힘의 크기에 따라 화살표의 길이를 결정하면 된다. 이때 작용점을 지나서 힘의 방향으로 그은 직선을 힘의 작용선이라고 한다.
힘은 물리에서 중요한 물리량 중의 하나이다. 1N은 질량 1kg의 물체에 작용하여 1m/s2의 가속도를 생기게 하는 힘이다. 힘의 단위는 N(뉴턴)을 사용한다.
한 물체에 여러 힘이 작용할 때, 이들 여러 힘의 효과와 같은 하나의 힘으로 나타내는 것을 힘의 합성이라 하며, 합성된 한 힘을 합력이라고 한다. 힘은 크기뿐만 아니라 방향도 가지고 있는 물리량이므로 힘의 방향을 고려하여 합성해야 한다. 그러면 한 물체에 작용하는 두 힘의 합력을 구하는 방법에 대해 알아보자. 한 물체에 방향이 같은 두 힘이 작용할 때 합력의 크기는 두 힘의 크기를 합친 것과 같다.
한 물체에 두 힘이 반대 방향으로 작용할 때 한쪽 힘을 +, 반대쪽 힘을 -라고 할 때 합력의 크기는 두 힘의 차이의 절댓값과 같다. 그리고 합력의 방향은 큰 힘의 방향과 같다.
팔씨름이나 줄다리기를 해 본 경험이 있는가? 양쪽에서 서로 힘껏 밀거나 잡아당겨도 한동안 팽팽히 맞서서 어느 쪽으로도 기울어지지 않는 경우를 보았을 것이다.
이런 경우는 양쪽에서 서로 같은 힘으로 밀거나 당기기 때문에 양쪽의 힘이 상쇄되어 힘의 효과가 나타나지 않기 때문이다. 이처럼 한 물체에 크기가 같고 방향이 반대인 두 힘이 동시에 같은 작용 선상에서 작용하면 힘의 효과가 나타나지 않는데 이러한 경우에 두 힘은 평형을 이룬다고 말한다.
책상 위에 놓여있는 잉크병에는 어떤 힘들이 작용하고 있을까? 이때 중력이라고만 말해서는 안 된다. 병에 작용하는 힘이 중력뿐이라면 병은 아래로 떨어져야 할 것이다.
잉크병이 책상 위에 정지하고 있다는 것은 또 다른 힘이 잉크병에 작용하고 있다는 증거이다. 이 힘은 병에 작용하는 중력과 평형을 이루어 합력이 0이 된다.
이 힘은 바로 책상이 잉크병을 떠받치는 수직 항력이라는 힘이다. 책상은 잉크병에 작용하는 중력과 같은 힘으로 잉크병을 위로 받치고 있다. 이처럼 정지 상태에 있는 물체에 작용하고 있는 힘의 합력이 0일 때 그 물체는 평형상태에 있게 되는 것이다. 책상 위에 놓여 있는 잉크병은 평형상태에 있는 것이다.
물체에 힘이 작용하면 물체의 모양이 변하거나 운동 상태가 변한다는 것을 알았다. 
그러면 힘과 운동 상태의 변화 사이에는 어떤 규칙성이 있을까? 힘과 운동 사이의 관계에 대해 알아보자.
교통사고로 인한 인명피해를 줄이기 위해 일반 도로에서는 운전자와 앞 좌석의 승객은 안전띠를 착용해야 하며, 고속도로에서는 모든 승객이 안전띠를 착용할 것을 의무화하고 있다. 자동차를 탈 때 안전띠를 착용하면 어떻게 안전을 지킬 수 있는 것일까?
정지해 있는 물체를 이동시키거나 운동하고 있는 물체를 정지시키려면 힘이 필요하다. 그런데 수평면 위에서 공을 굴려 보면 공의 속력이 점점 줄어들면서 결국엔 정지하게 된다. 왜 그런 것일까? 공의 속력이 줄지 않고 계속 굴러가게 할 수는 없을까?
마찰이나 공기의 저항 등이 운동하는 물체에 작용하지 않으면 물체는 등속도 운동을 계속하게 된다.
이처럼 물체는 외부로부터 힘이 작용하지 않으면 원래의 운동상태를 유지하려는 성질이 있는데 이러한 성질은 관성이라고 한다. 관성은 우주 내의 모든 물체가 지니고 있는 자연의 기본적인 특성 중의 하나이다. 우리가 빨리 달리다가 바로 그 자리에 정지할 수 없는 것은 바로 관성 때문이다.
이탈리아의 물리학자 갈릴레이는 빗면 실험을 통해 물체가 빗면을 내려갈 때는 속력이 빨라지고 반대로 빗면을 올라갈 때는 속력이 느려진다는 것을 주의 깊게 관찰하고, 어느 쪽으로도 기울어지지 않은 수평면에서 속력이 변하지 않고 일정해야 한다고 머릿속으로 사고 실험하여 관성을 이해하기 쉽게 설명하였다 후에 뉴턴은 관성에 대해서 다음과 같이 정의했다. "외부로부터 물체에 힘이 작용하지 않거나 작용하더라도 힘의 합력이 0이면, 운동하고 있는 물체는 계속 등속도 운동하고 정지하고 있는 물체는 계속 정지해 있다"