뉴턴의 운동법칙

뉴턴의 운동법칙

⑴ 관성의 법칙(운동 제1법칙) : 모든 물체는 힘이 작용하지 않는 한 현재의 상태를 유지하려는 성질(즉 정지한 물체는 계속 정지한 상태를, 운동중인 물체는 계속 운동상태를 유지하려는 성질)

예) 급정거 시 몸이 넘어지려는 것, 100m달리기 시 결승선 통과 후 갑자기 멈추기 어려운 것 등

⑵ 가속도의 법칙(운동 제2법칙) : 물체에 힘을 가하면 그 물체는 가속도가 생긴다. 가속도는 가해진 힘에 비례하고 물체 질량에 반비례한다.

예) 던지거나 타격하는 모든 스포츠의 장면

⑶ 작용 및 반작용의 법칙(운동 제3법칙) : 물체에 힘을 가하면 작용한 힘의 크기와 같은 크기의 힘이 반대반향에서 작용한다는 법칙

예) 육상경기의 스타트법, 조정경기의 노 젓기

c.f 위 운동법칙은 선 운동에 적용되는 법칙이고, 각운동에서도 똑같은 법칙이 적용된다. 다만 용어를 다음과 같이 변형시킨다.

물체 → 회전물체, 힘 → 토크, 모멘트, 운동 → 회전운동, 가속도 → 각가속도,

질량 → 관성모멘트

⑷ 선운동량

1) 선운동량(Linear Momentum: M)

- 선운동을 하는 물체가 갖는 물리량

⑸ 선운동량 보존의 법칙

- 선운동 물체에 외력이 작용하지 않는 한 충돌 전,후의 총 운동량을 변하지 않는다는 법칙

( : A물체의 질량, : B물체의 질량, : 충돌 전 A물체의 속도

: 충돌 전 B물체의 속도 , : 충돌 후 A물체의 속도, : 충돌 후 B물체의 속도)

예) 골프의 드라이버 샷, 럭비나 미식축구의 수비수 태클

⑹ 충돌의 종류

1) 완전탄성충돌 : 충돌 전과 충돌 후의 운동에너지(운동속도로 표현)가 같다

예) 스포츠 장면에서도 거의 일어나지 않고, 당구공의 충돌이 제일 가까운 경우

2) 불완전탄성충돌 : 충돌 후의 운동에너지(운동속도)가 충돌 전보다 낮다

예) 스포츠 장면에서 나타나는 대부분의 충돌

3) 비탄성충돌 : 충돌 후 운동에너지(운동속도)가 전혀 없다

예) 총알 또는 화살 등이 박히는 것

⑺ 탄성계수(Coefficient of Elasticity)

1) 탄성계수(복원계수) :

2) 볼의 복원계수 = ( : 튀어오른 높이, : 자유낙하 시킨 높이)

p206 공 종류, 속도, 온도에 따른 탄성계수의 변화 참조

⑻ 도구를 사용한 볼의 타격운동시 변인

1) 도구의 질량이 무거울수록 충돌 후 볼의 속도가 크다

2) 볼의 질량이 가벼울수록 충돌 후 볼의 속도가 크다

3) 도구의 충돌 전 속도가 클수록 충돌 후 볼의 속도가 크다

4) 볼의 충돌 전 속도가 클수록 충돌 후 볼의 속도가 크다

5) 충돌각도가 작을수록, 즉 정면 충돌에 가까울수록 충돌 후 볼의 속도가 크다

6) 탄성계수가 클수록 충돌 후 볼의 속도가 크다

⑼ 타격운동의 스위트 스폿(Sweet Spot)

1) 스위트 스폿 : 타격운동시 볼을 가장 멀리 보내는 도구의 지점으로, 다음의 3가지 요소에 의하여 결정됨

① 충돌중심(Center of Percussion) : 타격도구에 볼이 맞을 때, 피봇점에 대하여 반작용력이 생기지 않는 지점(충돌중심에 맞으면 반작용력으로 인한 운동에너지의 손상이 없다)

② 노드(Node) : 타격도구에 볼이 맞을 때 피봇점에 대하여 진동이 일어나지 않는 지점(노드에 볼이 맞으면, 진동에너지로 인한 운동에너지 손상이 없다)

③ 탄성(복원)계수 : 타격도구의 탄성(복원)계수 값이 가장 큰 지점(타격도구의 탄성계수 값이 클수록 볼이 멀리 가고, 같은 도구에서도 탄성계수 값이 가장 큰 곳에 맞을수록 볼이 멀리 날아간다)

⑽ 리바운드시 볼의 움직임

1) 탑 스핀의 경우

- 볼의 마찰이 일어나는 지점에서 볼 때, 탑 스핀의 경우 표면회전력은 후방으로 작용하므로 반작용회전력은 전방으로 작용한다(뉴턴의 운동3법칙에 의하여). 따라서 실제 리바운드 힘은 정상 리바운드 힘과 표면반작용회전력의 합벡터인 방향으로 작용하여 정상 리바운드보다 낮게 튄다.

2) 백스핀의 경우

- 볼의 마찰이 일어나는 지점에서 볼 때, 백스핀의 경우 표면회전력은 전방으로 작용하므로 반작용회전력은 후방으로 작용한다(뉴턴의 운동3법칙에 의하여). 따라서 실제 리바운드 힘은 정상리바운드 힘과 표면반작용회전력의 합벡터인 방향으로 정상 리바운드보다 높게 튄다.

※ 사각충돌 시 스핀에 의한 볼의 변화

- 볼에 스핀을 주면 리바운드 후 탑스핀의 경우는 수평성분의 크기가 커져서, 정상 리바운드 볼보다 낮게, 멀리 튀며, 백스핀의 경우는 수평성분의 크기가 작아져서, 정상리바운드 볼보다 높게, 가까이 튄다.

- 그러나 수직성분의 크기는 낙하 높이와 탄성계수에 의하여 결정되기 때문에 변함이 없어서 정상리바운드, 백스핀, 탑스핀의 튀어 오른 높이는 똑같다.