설군의연구소
뉴턴의 세 가지 법칙 본문
안녕하세요, 설군입니다.
뉴턴 제 1법칙 - 관성의 법칙
뉴턴 제 2법칙 - 가속도의 법칙
뉴턴 제 3법칙 - 작용-반작용의 법칙
하나씩 천천히 알아봅시다.
* 뉴턴 제 1법칙 - 관성의 법칙
질량이 있는 모든 물체는 관성을 가집니다. *관성은 자신의 운동상태를 유지하려고 하는 성질* 입니다.
정지해있는 무거운 물체에게 힘을 가하여 그 물체를 움직이려고 하려면, 우리는 힘이 듭니다. 반대로 생각하면 그 물체는 정지해있으려는 성질을 가지고 있습니다. 또한 움직이고 있는 무거운 물체에게 힘을 가하여 그 물체를 멈추려고 하면, 역시 우리는 힘이 듭니다. 다르게 생가갛면 그 물체는 가던 길을 그대로 가려는 성질이 있습니다.
이것이 물체의 관성입니다. 처음에 멈추어있었다면 물체는 계속 멈추어있으려고 하고, 처음에 물체가 운동하고 있었다면 물체는 계속 운동하려고 합니다.
물체에게 힘을 순간적으로 가해서 움직임을 만들어주고, 이후 아무런 힘도 받지 않는 상황이라면 그 물체는 완벽하게 자신의 운동상태를 유지하게 됩니다. 특히나 이런 경우 물체는 일정한 속력과 방향으로 직선으로 운동하게 되는데 이를 *등속 직선 운동* 이라고 말합니다.
오른쪽으로 10 m/s 로 운동하던 물체에게 아무런 힘도 가하지 않으면, 그 물체는 다른 힘이 가해지기 전까지는 오른쪽으로 10 m/s 로 무한히 운동합니다.
관성이라는 물체의 성질은, 그 물체의 질량이 클 수록 큽니다. 다르게 말해서 관성을 숫자로 표현한 것이 질량이라고도 합니다.
질량이 1000 kg의 물체와, 1 kg인 물체가 있을 때, 질량이 1000 kg인 물체의 관성이 훨씬 큽니다.
앞선 예시처럼, 1000 kg의 물체가 가만히 멈추어 있을 때, 이를 움직이기 위해서 드는 힘과
1 kg의 물체가 가만히 멈추어 있을 때, 이를 움직이기 위해서 드는 힘이 차이가 나는것이 관성이 다르기 때문입니다.
마찬가지로 1000 kg의 물체가 움직이고 있을 때 이를 멈추기 위해서 드는 힘과, 1 kg의 물체가 움직이고 있을 때 이를 멈추기 위해서 드는 힘이 다른 것도 그 이유입니다.
* 관성은 물체가 얼마나 빨리 움직이느냐와는 관련이 없습니다. 1000 kg의 물체가 오른쪽으로 1 m/s으로 운동하고 있을 때 이를 멈추는 상황과, 1 kg의 물체가 오른쪽으로 10 m/s으로 운동하고 있을 때 이를 멈추는 상황을 생각해보세요.
* 일상생활 속에서 관성의 법칙을 찾아볼 수 있는 예
- 이불에 붙은 먼지를 터는 상황
→ 이불에는 먼지가 달싹 붙어있는데, 이불을 갑자기 털어서 움직이면, 먼지는 원래 붙어있던 그 위치에 있으려고 합니다. 그래서 이불은 움직였지만 먼지는 가만히 있으려고 하여, 먼지와 이불이 분리되는데 이것을 먼지가 떨어져나간다고 하는것입니다.
- 식탁에 식탁보가 감싸져있고 식탁보에 물컵이 있을 때 식탁보를 슉 빼는 상황
→ 물컵은 정지해있는데, 식탁보를 슉 빼면 물컵은 자신의 정지상태를 유지하려고 합니다. 식탁보가 움직였지만, 물컵은 정지상태를 유지하려고 하기에 식탁보만 슉 빼낼 수 있는 것입니다.
- 몸무게가 50 kg인 사람과 100 kg인 사람이 함께 같은 속도로 달리기를 하다가, 급히 멈추려고 하면 100 kg의 몸무게를 가진 사람이 더 어렵다.
→ 관성의 근본적인 개념입니다. 질량이 큰 물체의 운동상태를 변화시키는 것이 힘들기 때문입니다. 몸무게가 가벼운 사람이 달리다가 멈추려면 쉽지만, 몸무게가 무거운 사람이 달리다가 멈추려면 어렵습니다.
* 뉴턴 제 2법칙 - 가속도의 법칙
$$ \vec{F} = m \vec{a} $$
이는 가속도의 법칙을 벡터로 표현한 식인데, 고등학교 물리학 수준에서는 다음과 같이 벡터 표현을 빼고 표현합니다.
$$ F = ma $$
어떤 물체가 $F$ 라는 세기의 알짜힘을 받고 있을 때, 그리고 그 물체의 질량이 $m$ 이고, 그 물체의 가속도의 크기가 $a$ 일 때 위의 식이 만족한다는 것이 가속도의 법칙입니다.
$F=ma$ 를 암기할 때, 단순히 식을 암기하는 것 보다는, 위의 문장처럼 *문장*으로 암기하는 것이 중요합니다. $F$ 라는 건 내가 관심있는 그 물체가 받는 알짜힘을 말하는 것입니다. 그리고 $m$ 은 다른것도 아니고 내가 관심있는 오직 그 물체의 질량을 의미합니다. 그리고 $a$ 는 그 물체가 가속할 때의 가속도를 말합니다.
* 알짜힘
알짜힘은 물체가 받는 모든 힘들을 더한것을 말합니다. 그러나 힘은 얼마나 센지 약한지의 수치만 있는 것이 아니라, 방향도 있습니다. 어떤 물체를 네 사람이서 밀고 있는데, 각각 동쪽으로, 서쪽으로, 남쪽으로, 북쪽으로 힘을 주며 미는 상황입니다.
이런 경우, 북쪽에서 남쪽으로 미는 10 N의 힘과, 남쪽에서 북쪽으로 미는 10 N의 힘은 서로 *상쇄* 되어 물체는 남쪽으로도, 북쪽으로도 어느 알짜힘을 받지 않는다고 말합니다. 그런데 서쪽에서 동쪽으로 미는 20 N의 힘과, 동쪽에서 서쪽으로 미는 50 N의 힘은 힘의 크기가 같지 않기때문에 상쇄되지 않습니다. 물체는 마치 동쪽에서 서쪽으로 30 N으로 밀리는 것으로 느낄것입니다.
따라서 최종적으로 물체가 받는 알짜힘은, 동쪽에서 서쪽으로 30 N으로 밀리는 힘 입니다.
정확히는 물체가 받는 알짜힘을 화살표로 표현할 때, 다음과 같이 그립니다.
물체가 받는 힘을 나타내기 위해서는, 화살표의 시작점이 물체에 있고, 화살표의 끝점(뾰족한 부분)이 힘의 방향을 나타내도록 그림을 그려주는 것이 원칙입니다.
만약 물체가 → 방향으로 60 N, ← 방향으로 20 N, ↑ 방향으로 50 N, ↓ 방향으로 40 N의 힘을 받는다면, 물체의 알짜힘은
일단 → 방향으로 40 N, ↑ 방향으로 10 N일 텐데, 이 경우에는 그냥 이렇게까지만 표현해주어도 괜찮습니다. 마치 물체는 대각선으로 힘을 받는 것처럼 느낄텐데, 고등학교 물리학 1 수준에서는 이런 상황은 등장하지 않습니다.
$$ F = ma $$
에서 지금까지 좌변의 $F$ 에 대해서 이야기했습니다. $F=ma$ 에서의 $F$ 는 단순한 힘이 아니라, 그 물체가 받는 알짜힘을 이야기한다는 것이 가장 중요합니다. 우변의 $ma$ 에 대해서 이야기할 텐데, $m$ 은 이미 관성의 법칙에서 이야기했습니다. 물체가 자신의 운동 상태를 유지하려고 하는 성질인 *관성* 을 숫자로 표현한 것이 바로 질량인 $m$ 입니다.
그렇다면 $a$ 는...? 물체의 가속도인 $a$ 는 힘과 마찬가지로 방향도 존재하고 수치도 존재합니다. 먼저 이야기하자면, $F=ma$ 라는 식에서 $F$ 는 방향을 가지고 있고, $m$ 은 방향이 없고, $a$ 는 방향을 가지고 있는 물리량입니다.
따라서 $F=ma$ 라는 식이 항상 성립하기 위해서는, 좌변의 물리량의 방향과 우변의 물리량의 방향도 항상 일치해야합니다.
따라서 $F=ma$ 라는 식에서 $F$ 의 방향과 $a$ 의 방향은 항상 일치해야 합니다!
가속도의 법칙에서, 물체가 받는 알짜힘의 방향과, 물체의 가속도의 방향은 무조건 항상 일치해야 한다는 것입니다.
물체가 받는 알짜힘의 방향만을 알고있다면, 가속도의 법칙으로부터 물체가 운동하는 가속도의 방향도 알 수 있습니다.
(운동하는 방향을 알 수 있는 게 아니라, 가속도의 방향을 알 수 있는 것입니다. 운동하는 방향은 물체의 *속도* 의 방향을 알아야만 알 수 있습니다.)
* 참고로 물체가 운동하는 방향과, 가속도의 방향이 항상 일치하는 건 아닙니다. 가속도가 0인 상황, 즉 방향이 없는 상황이더라도 물체는 직선운동 할수 있고, 물체가 포물선 운동 하는 상황에서는 물체의 가속도의 방향은 항상 중력 방향과 일치합니다.
가속도의 법칙으로부터 물체가 받는 알짜힘의 방향과, 물체의 가속도의 방향이 무슨 관계인지에 대한 정보를 얻었습니다. 그렇다면 남은건 방향 말고 크기일텐데, 크기는 단순하게 식으로 계산하여 알 수 있습니다.
물체가 ← 방향으로 30 N의 알짜힘을 받고 있고, 이 물체의 질량이 5 kg인 상황을 생각해봅시다.
먼저, 알짜힘의 방향과 물체의 가속도의 방향이 일치해야 된다는 사실을 가속도의 법칙으로부터 알 수 있으므로, 물체의 가속도의 방향은 알짜힘의 방향과 동일하게 ← 방향입니다.
그렇다면, 물체의 가속도의 크기는?
$$ F = ma $$
$$ 30 = 5 \times a $$
이므로, $a=6 \ \mathrm{m/s^2}$ 임을 계산해낼 수 있습니다.
최종적으로 우리는, 물체는 왼쪽으로 가속하고 있고, 그 가속도의 크기는 초당 6 m/s 라는 사실을 알아냈습니다. (1 초 당 물체의 속력이 6 m/s 씩 빨라진다는 말)
* 뉴턴 제 3법칙 - 작용-반작용의 법칙
고등학교 때 필기했던 물리 공책을 그대로 옮겨왔습니다.
- 작용-반작용의 특징
1. 작용과 반작용은 크기가 같고 방향은 서로 반대이다.
2. 벡터적으로 더하여 0이 되는 힘이 아니다.
(작용과 반작용은 더해서 0이 되지 않는다. 애초에 더할 수 없다.)
3. 서로서로에게 전달해주는 힘이다.
4. 항상 쌍으로 존재한다.
5. 작용이 사라지게된다면 반작용도 즉시 사라진다.
6. 작용점은 목적어에 존재한다. (*A가 B에게 가하는 힘* 이라는 문장에서, A가 주어고 B가 목적어)
(작용점은, 힘을 화살표로 나타냈을 때의 화살표의 꼬리를 말한다.)
7. 아주 쉽다. 왜냐하면 말만 바꾸면 되니까. (주어와 목적어)
8. 말 바꾸기 힘든것은 '중력' 이다.
다음과 같이 물체 A와 물체 B가 있는 상황을 생각해봅시다. 벽돌 같은 물체라고 생각한다면 A가 B에 닿아있을 때, 그 닿은 면을 통해서 A가 B를 밀것입니다. 이 때, A가 B를 30 N으로 ← 방향으로 밀고있을 때에 위와 같이 그림으로 표현할 수 있습니다. 중요한 건, A가 B를 밀고있으므로, 힘을 받고있는 건 B입니다. 그래서 화살표의 시작점은 B에 있어야 합니다.
A가 B를 밀고있을 때, A가 B를 미는 걸 *작용* 이라고 한다면, B가 A를 미는 걸 *반작용* 이라고 합니다.
무엇 *을* 미는지, 문장을 잘 보면 그것이 힘을 받는 물체임을 알 수 있습니다.
작용은 A가 B를 미는 걸 말하므로, B가 받는 힘입니다.
반작용은 B가 A를 미는 걸 말하므로, A가 받는 힘입니다.
위의 그림상에서는 반작용을 표현하지 않았지만, 작용과 반작용은 항상 함께 동시에 존재합니다. 그러므로 A도 힘을 받고 있다는 사실을 항상 생각해야 합니다.
작용하는 힘이 있을 때, 반작용 힘은 항상 작용과 힘의 크기가 같고 방향은 정확하게 반대입니다. 따라서 A가 B로부터 받는 힘 (반작용) 을 그림으로 표현하면,
이와 같이 표현됩니다. B가 A를 미는 힘을 먼저 작용이라고 정한다면, 이번에는 반작용은 바로 A가 B를 미는 힘이 됩니다.
작용-반작용 관계인 힘에서, 두 힘은 크기가 같고 방향이 정확하게 반대라는 것을 꼭 기억해야 합니다!
* 중력에서의 작용-반작용
중력은 지구가 물체를 끌어당기거나, 물체가 지구를 끌어당기는 것, 또는 태양이 지구를 끌어당기는 것, 또는 지구가 태양을 끌어당기는 것과 같이
질량이 있는 두 물체가 서로를 멀든 가깝든 끌어당기는 것을 말합니다.
중력이 주어진 상황에서 작용과 반작용인 관계의 힘을 어떻게 생각해야 하는지 헷갈릴 수 있습니다.
- 사과가 받는 중력
→ 지구가 사과를 끌어당기는 힘, 즉 이것을 작용이라고 한다면, 반작용은 사과가 지구를 끌어당기는 힘
- 태양이 지구로부터 받는 중력
→ 지구가 태양을 끌어당기는 힘, 즉 이것을 작용이라고 한다면, 반작용은 태양이 지구를 끌어당기는 힘
* 예제 1
어떤 물체가 → 방향으로 5 m/s의 일정한 속력으로 이동하고 있다. 이 물체가 받는 알자힘의 크기는?
→ 0 N
* 예제 2
그림과 같이 질량이 5 kg인 물체 A와, 질량이 10 kg인 물체 B가 나란히 붙어 있고, 어떤 사람이 물체 A를 ← 방향으로 30 N으로 밀고 있다. 이 때 물체들의 가속도(두 물체는 붙어서 움직이므로, 가속도가 같다)의 크기와 방향을 구해보자. 그리고 각각의 물체가 받는 알짜힘의 크기와 방향을 구해보자.
먼저 가속도의 법칙을 통해 두 물체의 가속도를 구할 수 있습니다. 두 물체가 붙어서 움직이고 있으므로 두 물체를 한 덩이로 볼 수 있는데요, 그림을 다시 그리면
이런 상황에서, 15 kg의 질량을 가진 물체의 가속도를 구하는 것과 동일한 상황입니다.
따라서, 가속도의 법칙에 의해
$$ F = ma $$
$$ 30 = 15 \times a $$
$$ a = 2 \ \mathrm{m/s^2} $$
으로 구할 수 있습니다. 물론 알짜힘의 방향과 가속도의 방향이 동일하므로, 가속도의 방향은 ← 입니다. 답을 적을 때에는 *가속도를 구해라* 라고 문제에서 물어보았다면 가속도의 크기와 방향을 모두 적어야 합니다. *가속도의 크기를 구해라* 라고 물어보았다면, 말 그대로 크기와 단위만 잘 적어주면 됩니다.
이제 각각의 물체가 받는 알짜힘을 구하기 위해서는 두 가지 방법이 있습니다. 문제의 상황에서 모든 힘들을 모조리 구해서 그림으로 그려보는 방법이 있고, 아니면 내가 보고자 하는 한 물체에 대해서 가속도의 법칙을 적용하는 방법이 있습니다. 위에서 사용한 가속도의 법칙은, 두 물체를 한 덩이로 보고 그 한 덩이의 물체에 대해 가속도의 법칙을 적용한 경우입니다.
그런데 물체 A만 생각하여 가속도의 법칙을 적용하고, 물체 B만 생각하여 가속도의 법칙을 적용할 수 있습니다.
물체 A에 대해 가속도의 법칙을 적용하기 위해서는
$$ (\text{물체 A가 받는 알짜힘의 크기}) = (\text{물체 A의 질량}) \times (\text{물체 A의 가속도의 크기}) $$
가 되는데요, 물체 A가 받는 알짜힘의 크기는 모릅니다. 왜냐하면, 문제에서 사람이 물체 A를 ← 방향으로 30 N으로 밀고 있다고 주어졌지만, 물체 A와 물체 B가 서로 맞닿아서 움직이기 때문에 물체 A는 물체 B를 ← 방향으로 밀 것이고, 따라서 물체 B도 물체 A를 → 방향으로 밀 것이기 때문에 이것도 알아야만 물체 A가 받는 알짜힘을 구할 수 있습니다. (물론 물체 A가 바닥에 놓여 있다면, 지구가 물체를 끌어당기는 중력도 생각해야 하며, 바닥이 물체 A를 떠받쳐주는 힘도 생각해야 합니다만, 위아래 방향으로 작용하는 힘은 생각하지 않기로 하겠습니다.)
따라서 물체 A가 받는 알짜힘은 모른 채로 $F$ 로 둡니다. 그리고 알고있는 사실은 물체 A의 질량이 5 kg이고, 가속도는 위에서 구한 것처럼 $2 \ \mathrm{m/s^2}$ 라는 사실입니다. 따라서 식을 세우면
$$ F = 5 \times 2 = 10 \ \mathrm{N} $$
이 계산됩니다. 바로 구한 거예요. 물체 A가 받는 알짜힘의 크기는 10 N입니다. 그리고 방향은 이미 우리가 가속도의 방향을 알고 있기 때문에, ← 방향이라는 걸 알 수 있습니다.
사람이 물체 A를 ← 방향으로 30 N으로 밀고 있지만, 막상 물체 A가 받는 알짜힘의 크기는 10 N입니다.
이번에는 물체 B에 대해 가속도의 법칙을 적용해 봅시다.
마찬가지로,
$$ (\text{물체 B가 받는 알짜힘의 크기}) = (\text{물체 B의 질량}) \times (\text{물체 B의 가속도의 크기}) $$
이고, 알고 있는 건 물체 B의 질량과 가속도의 크기이므로, 대입해주면 (아래의 식에서 $F$ 는 이번에는 물체 B가 받는 알짜힘의 크기를 나타냅니다.)
$$ F = 10 \times 2 = 20 \ \mathrm{N} $$
임을 알 수 있습니다.
이렇게 물체 각각의 질량과 가속도를 알고 있을때, 물체 각각에 대해 가속도의 법칙을 적용하면, 그 물체가 받는 알짜힘의 크기를 알 수 있습니다!
이번에는 물체들이 받는 힘들을 모조리 그림으로 표현하여 확인해봅시다.
원점으로 돌아가서, 물체의 가속도도 모르는 상황이라고 생각해봅시다.
물체 전체를 한 덩어리로 보았을 때, 사람이 ← 방향으로 밀고 있으므로, 물체 덩어리는 ← 방향으로 *가속* 할 것입니다.
먼저 물체 B가 받는 힘을 모조리 다 생각해봅시다. 물체 B가 ← 방향으로 가속하는 것을 알고있으므로, 물체 B는 ← 방향으로 알짜힘을 받아야 합니다. 그런데 물체 B가 힘을 누구한테 받을지를 생각해보면, 접촉한 건 A밖에 없으므로 A가 B를 미는 힘을 받을것입니다. 이를 A가 B에게 가하는 힘 (즉, A가 B를 미는 힘) 이라고 표현하여, $F_{\mathrm{AB}}$ 라고 표현합니다.
물체 B가 받는 힘은 이것밖에 없습니다.
그리고, 물체 A가 받는 힘을 모조리 다 생각해봅시다. 사람이 물체 A를 ← 방향으로 30 N으로 미는 힘이 있고, 앞서 구한 것의 반작용인, B가 A를 미는 힘 (이번에는 $F_{\mathrm{BA}}$ 라고 표현합니다.) 이 있습니다. 이 두 개가 끝입니다.
그림에서 각 물체의 내부에 화살표의 시작점이 몇 개 있는지를 살펴보면, 그것이 그 물체가 받는 힘의 개수입니다. 물체 B의 경우에는 화살표의 시작점이 하나밖에 없으므로 하나의 힘만 받고 있는 상황입니다. 물체 A의 경우에는 화살표의 시작점이 두 개 이므로 두 개의 힘을 받고 있는 상황입니다.
물체 밖에 → 방향으로 30 N이라고 표시한 건, 우리가 관심 있는 물체는 아닙니다. 무엇을 표시한 거냐면, 사람이 물체 A로부터 받는 힘을 표시한 것입니다. 사람이 물체 A를 ← 방향으로 밀기때문에, 그것에 대한 반작용인 *물체 A가 사람을 → 방향으로 30 N의 세기로 미는 힘* 을 받기 때문입니다. 그러나 우리는 두 물체의 운동을 분석하는 상황이기 때문에, 사람이 받는 힘을 생각할 필요는 없습니다.
다음으로는, 각각의 물체에 대해 가속도의 법칙을 적용해봅시다.
먼저 물체 B에 대해 가속도의 법칙을 적용해 봅시다. 물체 B가 받는 알짜힘은 $F_{\mathrm{AB}}$ 이고, 그 수치는 모릅니다. 그리고 물체 B의 질량은 10 kg이라는 걸 알고 있고, 물체 B의 가속도도 $a$ 라고 두고, 수치는 모릅니다. 그렇다면 식은 다음과 같이 세워집니다.
$$ F = ma $$
$$ F_{\mathrm{AB}} = 10 \times a $$
이 대로 식을 잘 간직해놓고,
물체 A에 대해서도 가속도의 법칙을 적용해봅시다.
물체 A가 받는 알짜힘은, 두 힘을 고려해야 합니다. 물체 A는 ← 방향으로 가속한다는 걸 알기 때문에, 두 힘을 고려할 때 어느 힘의 세기가 더 센 지를 알 수 있습니다. 문제의 상황에서는 ← 방향의 30 N의 힘과, → 방향의 $F_{\mathrm{BA}}$ 힘 중에 ← 방향의 힘이 더 센 것이죠. 따라서, 알짜힘은 $30 - F_{\mathrm{BA}}$ 가 됩니다! 따라서 식은,
$$ F = ma$$
$$ 30 - F_{\mathrm{BA}} = 5 \times a $$
가 됩니다. 여기서 가속도 $a$ 는 물체 B에 대해서 식을 세울 때 썼던 가속도와 같은 가속도입니다. 왜냐하면 두 물체의 가속도가 동일하기 때문이죠. 이렇게 얻은 식도 잘 간직해 놓습니다.
총 두 가지의 식을 얻었는데, 하나 더 생각해봅시다. 물체 A, B에 대해서 식을 세울 때 썼던 힘 $F_{\mathrm{AB}}$ 와, $F_{\mathrm{BA}}$ 는 작용-반작용 관계에 있는 힘입니다. 작용-반작용 관계에 있는 힘은, 서로 힘의 크기가 같고 방향이 반대라는 사실을 작용-반작용 법칙으로부터 알 수 있습니다. 따라서, 그냥 $F$ 라는 것으로 놓고 식을 다시 써도 됩니다!
$$ F = 10 \times a $$
$$ 30 - F = 5 \times a $$
이렇게 두 가지 식으로 정리가 됩니다. 식의 개수가 두 개이고, 식들의 변수가 두 개이므로, 두 식을 연립하여 연립 방정식을 풀면 두 변수 $F$ 와 $a$ 의 값을 구할 수 있습니다.
이렇게 값을 구하면, $F = 20$, $a = 2$ 라는 값을 얻을 수 있습니다. 단위만 붙여주면 힘과 가속도를 구한 게 됩니다.
맨 처음에 가속도의 법칙을 적용할 때에는, 두 물체를 한 덩이만으로 보고 곧바로 한 덩이의 물체가 받는 알짜힘을 30 N으로 생각해서 구했었습니다. 이번에는 각각의 물체가 받는 힘들을 모조리 생각한 후에, 각각의 물체에 대해서 가속도의 법칙을 적용하여 구했습니다.
두 경우의 결과는 동일하며, 첫 번째 방법이 간편하고 빠르므로 유용한 경우도 있고, 물체가 받는 힘들을 고려하여 구해야 할 때에는 두 번째 방법이 유용합니다.
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