물리학 고2 힘과 에너지

등속 직선 운동

합력이 0인 조건에서 물체가 일정한 속도로 직선 운동함을 이해한다.

물체에 작용하는 합력이 0이어서 속도가 크기도 방향도 변하지 않는 직선 운동입니다.

우주 공간에서 한 번 밀어 준 물체는 엔진을 끄고도 영원히 같은 속도로 나아갑니다. 계속 움직이기 위해 힘이 필요한 게 아니라, 속도를 바꾸려고 힘이 필요합니다.

쉽게 말하면

속도와 가속도에서 가속도는 속도의 변화율이었습니다. 그러니 속도가 안 변한다는 말은 가속도가 0이라는 말과 같고, $F = ma$ 에 따라 합력도 0이라는 말과 같습니다. 등속 직선 운동·가속도 0·합력 0 — 이 셋은 서로 다른 세 가지 사실이 아니라 같은 상황을 세 가지 말로 표현한 것입니다.

$x = x_{0} + v t (v = 일정)$

그래프로 보면 아주 단순합니다. 속도-시간 그래프는 시간축과 나란한 수평선이고, 위치-시간 그래프는 기울기가 $v$ 인 직선입니다. 가속도-시간 그래프는 0에 붙어 있습니다.

헷갈리기 쉬운 것은 '합력이 0'이 '힘이 하나도 없다'는 뜻이 아니라는 점입니다. 컨베이어 위를 일정한 속도로 미끄러지는 상자는 미는 힘과 마찰력을 동시에 받고 있지만 둘이 상쇄되어 합력이 0입니다. 일정한 속도로 떨어지는 빗방울(종단 속도)도 중력과 공기 저항이 균형을 이룬 등속 운동입니다.

이 상황이 바로 관성, 즉 뉴턴 제1법칙이 말하는 상태입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

무빙워크 위의 사람

$x = 1.0 \times 60 = 60 m$

$1.0 m/s$ 로 일정하게 움직이는 무빙워크에 가만히 서서 60초를 가면 60 m를 이동합니다. 속도가 일정하므로 변위는 그냥 곱셈 한 번입니다.
예시 2

일정한 속도로 내려오는 엘리베이터

중간 구간에서 엘리베이터가 등속으로 내려오는 동안, 안에 탄 사람의 몸무게는 평소와 똑같이 느껴집니다. 합력이 0이라 수직항력이 정확히 중력과 같기 때문입니다. 몸이 무겁거나 가볍게 느껴지는 것은 출발·정지처럼 속도가 변하는 구간뿐입니다.
예시 3

일정한 속도로 떨어지는 빗방울

빗방울은 처음엔 가속하지만, 빨라질수록 공기 저항이 커져 어느 순간 중력과 크기가 같아집니다. 그때부터 합력이 0이 되어 일정한 속도로 떨어집니다. 힘이 계속 작용하는데도 등속인, 전형적인 예입니다.

자주 하는 오해

힘이 없으면 물체가 멈춘다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움밀지 않으면 물체는 곧 멈추니까, 계속 움직이려면 힘이 필요하다

실제로는합력이 0이면 물체는 원래 속도 그대로 계속 갑니다. 멈추는 것은 마찰력이 작용해서지, 힘이 없어서가 아닙니다.

일상에서는 마찰이 늘 숨어 있어서 '힘을 안 주면 멈춘다'는 인상을 받습니다. 하지만 얼음판이나 우주처럼 마찰이 거의 없는 곳에서는 힘을 주지 않아도 계속 나아갑니다. 힘은 속도를 유지하는 게 아니라 바꾸는 것입니다.

등속 운동이면 힘이 하나도 작용하지 않는다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움등속으로 가고 있으니 이 상자에는 아무 힘도 없다

실제로는여러 힘이 작용하되 그 합이 0이면 됩니다. 등속으로 미끄러지는 상자에는 미는 힘, 마찰력, 중력, 수직항력이 모두 있습니다.

F = ma

의

F

는 '알짜힘'입니다. 서로 반대 방향으로 같은 크기의 힘 두 개가 걸리면 알짜힘은 0이고, 물체는 힘을 받고 있으면서도 속도가 변하지 않습니다. 그래서 등속 운동 문제도 자유물체도를 그려야 풉니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

속도와 가속도고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 힘과 에너지

자주 묻는 질문

Q1등속 원운동도 등속 직선 운동인가요?

아닙니다. 속력은 일정하지만 방향이 계속 바뀌므로 속도가 변하고, 따라서 가속도와 합력이 0이 아닙니다. 이름 때문에 헷갈리지만 완전히 다른 상황입니다.

Q2위치-시간 그래프의 기울기가 음수인 직선도 등속 직선 운동인가요?

네. 기울기가 일정하기만 하면 등속입니다. 기울기의 부호는 (−) 방향으로 일정하게 간다는 뜻일 뿐입니다.

Q3속도가 일정한지 알려면 어떻게 확인하나요?

같은 시간 간격마다 같은 변위가 나오는지 보면 됩니다. 실험에서는 시간기록계 테이프의 점 간격이 일정한지로 확인합니다.

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

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

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합력이 0이 아니라 일정한 값이면 어떻게 될까요? 등가속도 운동으로 이어집니다.

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