[일반물리학] Serway 99쪽 예제 5.2 - 힘의 합이 0인 이유와 가정의 이유 (sigmaFx, sigmaFy, tension, static state)

질문 요약

시그마Fx=0, 시그마Fy=0이라고 놓고 푸셨는데 왜 장력들의 합을 0이라고 놓고 푸셨는지, 정지상태 가정의 이유와 그 이유에 대해 궁금합니다. 알짜힘이 0이라고 가정하지 않고 다른 방법으로 문제를 풀 수 있는 방법이 있는지 알고 싶습니다.

답변 요약

일반물리학에서 다루는 Atwood 기계와 같은 시스템에서 줄에 대한 해석은 몇 가지 가정 하에 이루어집니다: 줄은 길이가 변하지 않고 늘어나더라도 끊어지지 않으며, 줄은 연결된 물체에 비해 매우 가볍기 때문에 가속되어도 줄 자체에 작용하는 합력은 0으로 가정합니다.

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[일반물리학] Serway 99쪽 예제 5.2 - 힘의 합이 0인 이유와 가정의 이유

일반물리학의 문제를 풀 때, 종종 힘의 합이 0이라는 가정을 사용합니다. 이 때, 많은 학생들이 궁금해하는 점 중 하나는 바로 왜 힘의 합을 0으로 놓고 문제를 풀어야 하는지입니다. 특히, Serway 물리학 교재 99쪽에 있는 예제 5.2를 보면, 이러한 궁금증이 더욱 커질 수 있습니다. 이 예제에서는 시그마 Fx = 0, 시그마 Fy = 0이라고 가정하고 문제를 해결하는데, 이는 장력들의 합이 0이라는 것을 의미합니다. 그러나 문제에서는 물체가 정지 상태를 유지한다는 명시적인 조건이 없습니다. 그렇다면 왜 이러한 가정을 하며 문제를 풀어야 하는 것일까요?

이에 대한 답변은 물리학에서의 힘의 평형 상태를 이해해야 명확해집니다. 일반적으로, 어떠한 물체가 정지 상태에 있거나 일정한 속도로 움직이고 있을 때, 그 물체에 작용하는 모든 외력의 합은 0이라고 가정합니다. 이를 뉴턴의 제1법칙, 즉 관성의 법칙이라고 합니다. 관성의 법칙에 따르면, 물체는 외부의 힘을 받지 않는 한 현재의 운동 상태를 유지하려는 경향이 있습니다. 따라서 문제에서 별도의 가속도가 주어지지 않았다면, 물체는 평형 상태에 있다고 가정하고 문제를 풀게 됩니다.

또한, Atwood 기계와 같은 시스템에서는 끈이나 줄이 물체에 비해 매우 가벼워서, 줄 자체에 가해지는 힘을 무시할 수 있습니다. 줄의 중량이 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에, 줄에 작용하는 장력은 가속도를 발생시키지 않고, 이에 따라 장력들의 합이 0이라고 가정하는 것이 타당합니다. 이러한 가정 하에 줄에 작용하는 장력이 서로 상쇄되어 알짜힘이 0이 되며, 이를 바탕으로 문제를 해결할 수 있습니다.

그렇다면 이러한 가정 없이 문제를 풀 수는 없는 것일까요? 실제로 물리학 문제를 풀 때는 여러 가정을 바탕으로 모델을 단순화시켜야만 해결이 가능한 경우가 많습니다. 이는 복잡한 현실 세계의 여러 변수를 고려할 수 없기 때문입니다. 따라서 특정 조건에서는 가정을 통해 문제를 단순화하고, 이를 통해 해결책을 찾는 방법이 효율적인 경우가 많습니다. 문제를 실제 상황에 완벽히 부합하도록 풀려고 한다면, 매우 복잡한 수학적 방정식을 해결해야 하며, 때로는 해답을 찾기 어려울 수도 있습니다.

결론적으로, Serway 교재의 예제 5.2와 같은 문제에서 장력들의 합을 0으로 가정하는 것은 뉴턴의 관성 법칙과 물리학에서의 힘의 평형 상태를 바탕으로 한 단순화된 모델을 적용하기 때문입니다. 이러한 가정은 문제를 풀기 위한 기본적인 출발점이며, 물리학적 현상을 이해하기 위한 첫걸음이 됩니다.

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