물리학 고2 힘과 에너지

작용·반작용 법칙

Q: 지구가 사과를 당기는 만큼 사과도 지구를 당긴다면, 왜 지구는 안 움직이나요?

실제로는 아주 조금 움직입니다. 다만 지구의 질량이 압도적으로 커서 가속도 a = F/m이 측정할 수 없을 만큼 작을 뿐입니다.

두 물체가 상호작용할 때 힘의 크기는 같고 방향은 반대임을 뉴턴 제3법칙으로 설명한다. (12물리01-03)

두 물체가 상호작용할 때 서로에게 주는 힘은 크기가 같고 방향이 반대이며, 항상 동시에 존재합니다.

벽을 밀면 손바닥이 아픕니다. 벽도 정확히 같은 크기로 손을 밀고 있기 때문입니다. 힘은 한 물체가 '가지는' 것이 아니라 두 물체 사이에서 주고받는 것입니다.

쉽게 말하면

$F_{A \to B} = - F_{B \to A}$ . 이 짧은 식이 뉴턴 제3법칙입니다. 크기가 같고 방향이 반대인 두 힘이 항상 짝을 지어 나타납니다.

여기서 절대 놓치면 안 되는 것은 두 힘이 서로 다른 물체에 작용한다는 점입니다. A가 B를 미는 힘은 B에게 걸리고, B가 A를 미는 힘은 A에게 걸립니다. 그래서 이 둘은 절대로 상쇄되지 않습니다. 뉴턴 운동 제2법칙은 '한 물체가 받는 힘'만 더하는데, 이 두 힘은 애초에 다른 명단에 올라 있으니까요.

이 사실이 세상의 모든 추진을 설명합니다. 걸을 때 발이 땅을 뒤로 밀면 땅이 발을 앞으로 밉니다. 로켓이 가스를 뒤로 뿜으면 가스가 로켓을 앞으로 밉니다. 로켓이 공기를 밀어서 나아가는 것이 아니기 때문에 진공인 우주에서도 작동합니다.

한 가지 더. 두 힘의 크기가 같아도 가속도는 전혀 같지 않습니다. $a = F / m$ 이므로 질량이 작은 쪽이 훨씬 크게 가속합니다. 이것이 다음 개념인 운동량과 충격량과 운동량 보존으로 곧장 이어집니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

총과 총알, 대포와 포탄

총이 총알을 앞으로 미는 힘과 총알이 총을 뒤로 미는 힘은 크기가 같습니다. 그런데 총이 훨씬 무거우므로 총의 가속도는 작습니다 — 그래도 0은 아니어서 우리는 반동을 느낍니다.
예시 2

트럭과 승용차의 충돌

트럭이 승용차에 주는 힘과 승용차가 트럭에 주는 힘은 정확히 같은 크기입니다. 승용차가 심하게 부서지는 것은 힘을 더 크게 받아서가 아니라, 질량이 작아 같은 힘에도 가속도가 훨씬 크고 차체가 약하기 때문입니다.
예시 3

스케이트를 신고 벽을 밀면

벽은 꿈쩍도 않고 내가 뒤로 밀려납니다. 두 힘의 크기는 같지만 지구에 붙어 있는 벽의 질량이 압도적으로 커서 벽의 가속도는 사실상 0입니다.

작용·반작용 쌍 vs 힘의 평형

구분	작용·반작용 쌍	힘의 평형 (합력 0)
작용하는 물체	서로 다른 두 물체	같은 한 물체
예	지구가 책을 당김 ↔ 책이 지구를 당김	책에 걸린 중력 ↔ 책상이 책을 미는 수직항력
상쇄되는가	안 됨 (명단이 다르므로)	됨 (합력이 0)
항상 성립?	항상 (물체가 가속하든 말든)	가속도가 0일 때만
크기가 달라질 수 있나	절대 없음	있음 (엘리베이터가 가속하면)

자주 하는 오해

작용과 반작용이 상쇄되어 아무것도 못 움직인다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움말이 수레를 당기면 수레도 말을 같은 힘으로 당기니, 합력이 0이라 수레는 영원히 못 움직인다

실제로는두 힘은 다른 물체에 걸립니다. 수레의 가속도를 구할 때는 '수레가 받는 힘'만 더하므로, 말이 당기는 힘은 상쇄될 상대가 없습니다.

합력을 계산할 때는 반드시 한 물체를 골라 그 물체가 받는 힘만 더해야 합니다. 이 원칙을 지키면 작용·반작용 쌍이 같은 계산에 들어올 일이 없습니다. 수레가 움직이는지 아닌지는 '수레가 받는 힘(말이 당기는 힘)'과 '수레가 받는 마찰력'을 비교해야 알 수 있습니다.

무거운 쪽이 더 센 힘을 준다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움트럭이 승용차보다 훨씬 무거우니 트럭이 승용차에 더 큰 힘을 준다

실제로는두 힘의 크기는 정확히 같습니다. 달라지는 것은 힘이 아니라 가속도입니다.

제3법칙에는 질량이 들어 있지 않습니다. 힘의 크기는 무조건 같고,

a = F / m

이므로 가벼운 쪽이 훨씬 크게 튕겨 나갑니다. 우리가 '더 세게 맞았다'고 느끼는 것은 힘이 아니라 그 결과(속도 변화와 피해)를 보고 있는 것입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

뉴턴 운동 제2법칙고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 힘과 에너지

자주 묻는 질문

Q1책상 위 책에서 중력과 수직항력은 작용·반작용 쌍인가요?

아닙니다. 둘 다 책에 작용하므로 반작용 쌍이 될 수 없습니다. 중력의 반작용은 '책이 지구를 당기는 힘'이고, 수직항력의 반작용은 '책이 책상을 누르는 힘'입니다. 이 둘은 각각 지구와 책상에 그려집니다.

Q2지구가 사과를 당기는 만큼 사과도 지구를 당긴다면, 왜 지구는 안 움직이나요?

실제로는 아주 조금 움직입니다. 다만 지구의 질량이 압도적으로 커서 가속도

a = F / m

이 측정할 수 없을 만큼 작을 뿐입니다.

Q3로켓은 무엇을 밀고 나아가나요?

자기가 뿜어낸 연소 가스입니다. 로켓이 가스를 뒤로 밀고, 그 반작용으로 가스가 로켓을 앞으로 밉니다. 밀 공기가 필요 없으므로 진공인 우주에서도 잘 작동합니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 힘과 에너지 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

제3법칙에 시간을 곱하면 곧바로 보존 법칙이 나옵니다. 운동량과 충격량으로 이어 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

작용·반작용 법칙 지도에서 확인하기 →