맨위로가기

관성

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

관성은 물체가 외부의 힘이 작용하지 않는 한 현재의 운동 상태를 유지하려는 성질을 의미한다. 고대부터 관성에 대한 이해가 있었지만, 아리스토텔레스의 운동 이론이 지배적이었다. 17세기 갈릴레오 갈릴레이는 수평면에서 물체의 운동을 설명하며 현대적 관념에 가까운 관성 개념을 제시했고, 아이작 뉴턴은 이를 뉴턴의 운동 법칙으로 체계화했다. 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론을 통해 관성 개념은 더욱 발전했으며, 관성력, 회전 관성 등의 개념으로 확장되었다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 속도 - 각속도
    각속도는 시간당 각의 변화를 나타내는 물리량으로, 회전하는 물체의 회전 속도를 나타내며, 2차원에서는 유사 스칼라, 3차원에서는 유사 벡터로 표현되고, 라디안 매 초(rad/s)를 단위로 사용한다.
  • 속도 - 음속
    음속은 소리가 매질을 통해 전달되는 속도로, 매질의 탄성 계수와 밀도에 따라 달라지며, 고체, 액체, 기체 순으로 빠르고, 특히 기체는 비열비, 평균 분자량, 온도 등에 영향을 받는다.
  • 고전역학 - 천체역학
    천체역학은 중력에 의해 지배되는 천체의 운동을 다루는 학문으로, 케플러 운동 법칙, 섭동 이론, 다체 문제 등을 포함하며, 뉴턴의 만유인력 법칙과 해석역학을 기반으로 발전하여 우주 탐사 및 행성 형성 연구에 기여한다.
  • 고전역학 - 해밀토니언 (양자역학)
    양자역학에서 해밀토니언은 계의 총 에너지를 나타내는 연산자로서, 고전역학의 해밀토니안에서 유래하며 슈뢰딩거 방정식을 통해 계의 시간적 진화를 결정하고, 그 고유값은 허용된 에너지 준위를 나타낸다.
관성
기본 개념
정의물체가 현재의 운동 상태를 유지하려는 성질
설명외부 힘이 작용하지 않는 한 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고, 운동하는 물체는 현재의 속도와 방향으로 계속 운동하려는 성질
뉴턴의 운동 법칙
제1법칙 (관성의 법칙)모든 물체는 외부 힘이 작용하지 않는 한 자신의 정지 또는 등속 직선 운동 상태를 계속 유지하려 한다.
뉴턴의 정의물질의 본질적인 힘으로, 물체가 현재의 상태 (정지 또는 등속 직선 운동)를 유지하려는 저항력이다.
관련 개념
질량과의 관계질량이 클수록 관성이 크다.
힘과의 관계힘은 물체의 운동 상태를 변화시키는 원인이며, 관성은 이러한 변화에 저항하는 성질이다.
역사적 맥락
뉴턴 이전의 관성 개념갈릴레오 갈릴레이가 수평면에서의 운동은 영원히 지속될 수 있다고 주장
르네 데카르트가 운동하는 물체의 운동 상태는 외부의 힘이 작용하지 않는 한 변화하지 않는다고 주장
뉴턴의 정리뉴턴은 이들의 주장을 종합하여 관성의 법칙을 운동 법칙의 제1법칙으로 정립
오해와 진실
관성은 힘인가?관성은 힘이 아니라 물체가 운동 상태를 유지하려는 성질이다.
관성은 마찰력과 반대되는 개념인가?관성은 물체의 운동 상태를 유지하려는 성질이고, 마찰력은 운동을 방해하는 힘이다.
관성은 정지한 물체에만 작용하는가?관성은 정지한 물체뿐만 아니라 운동하는 물체에도 작용한다.
관성 적용 사례
생활 속 사례급정거 시 몸이 앞으로 쏠리는 현상
이불을 털 때 먼지가 떨어지는 현상
망치 머리가 빠지지 않도록 나무 자루를 바닥에 내리치는 현상
자연 현상우주 공간에서 행성이 등속 운동하는 현상
참고 자료
참고 자료Britannica 사전
Britannica 과학
뉴턴의 프린키피아 (1846)
뉴턴의 진정한 의미 (다니엘 후크)
뉴턴 제1법칙의 오역 발견 (사이언티픽 아메리칸)

2. 역사와 발전

묵자에서 관성에 대한 최초의 설명이 제시되었다.[9] 유럽 르네상스 이전 서양 철학에서 지배적인 운동 이론은 아리스토텔레스(기원전 384년~기원전 322년)의 이론이었다. 지구 표면에서는 물리적 물체의 관성 특성이 중력, 마찰, 공기 저항의 영향으로 종종 가려지는데, 이들은 모두 움직이는 물체의 속도를 감소시키는 경향이 있었다. 이 때문에 아리스토텔레스는 물체가 힘이 가해지는 동안에만 움직인다고 믿었다.[10][11] 아리스토텔레스는 발사체가 발사체를 발사한 것에서 분리된 후에도 계속 운동하는 것을 주변 매질이 발사체를 계속 움직이게 하는 작용으로 설명했다.[13]

아리스토텔레스의 운동 개념[14]은 일반적으로 받아들여졌음에도, 거의 2천 년 동안 여러 저명한 철학자들에 의해 논쟁의 대상이 되었다. 6세기에는 요한 필로포누스가 운동이 주변 매질의 작용이 아닌 물체가 운동 상태에 놓일 때 물체에 부여된 어떤 속성에 의해 유지된다고 제안했다. 이것은 현대적인 관성 개념은 아니었지만, 근본적인 발걸음이 되었다.[16][17] 11세기에는 이븐 시나가 진공 상태의 발사체는 작용을 받지 않는 한 멈추지 않을 것이라고 주장했다.[18]

요하네스 케플러는 ''코페르니쿠스 천문학 개요''에서 "관성"이라는 용어를 처음으로 도입했다.[24] 그러나 케플러는 관성을 운동에 대한 저항으로만 정의했고, 정지 상태가 설명이 필요 없는 자연 상태라는 가정[25]에 기초했다. 갈릴레오 갈릴레이는 코페르니쿠스 모형을 발전시키면서 당시 받아들여졌던 운동의 본질에 대한 문제점을 인식하고, 진공 속 운동에 대한 아리스토텔레스의 설명을 기본적인 물리적 원리로 재진술했다.

> 수평면에서 움직이는 물체는 방해받지 않는 한 같은 방향으로 일정한 속도로 계속 움직인다.

갈릴레오는 "모든 외부 방해가 제거되면 지구와 동심원인 구면 위의 무거운 물체는 그 상태를 유지한다."라고 썼다.[29] 과학사학자들이 "원형 관성"이라고 부르는 이 개념은 뉴턴의 직선 관성 개념의 전조이지만, 뉴턴의 개념과는 다르다.[31][32]

갈릴레오 갈릴레이


아이작 뉴턴, 1689


갈릴레오의 관성 개념은 아이작 뉴턴에 의해 그의 운동 법칙 중 첫 번째 법칙으로 수정되고, 체계화되었다.

> 모든 물체는 외부의 힘이 작용하지 않는 한 정지 상태 또는 직선으로 일정한 속도로 운동하는 상태를 유지한다.[37]

뉴턴은 운동 법칙에서 이 개념을 정의했음에도 "관성"이라는 용어를 사용하지 않았다. 그는 원래 각 현상을 물질에 내재된 가속도에 저항하는 "타고난 힘"에 의해 발생한다고 보았다. 뉴턴은 "관성"을 현상 자체가 아니라 현상의 ''원인''으로 정의했다. 그러나 뉴턴의 "타고난 저항력"에 대한 원래 아이디어는 여러 가지 이유로 문제가 되었고, 대부분의 물리학자들은 더 이상 이러한 용어로 생각하지 않는다. 따라서 "관성"이라는 용어는 어떤 내재적 메커니즘이 아니라 현상 자체를 의미하게 되었다.

관성 질량의 효과: 천천히 당기면 위쪽 실이 끊어진다(a). 빠르게 당기면 아래쪽 실이 끊어진다(b).


알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 관성 기준계에 대한 이해를 바탕으로 이루어졌다. 일반 상대성 이론에서 관성 운동의 개념은 더 넓은 의미를 갖게 되었다. 일반 상대성 이론을 고려할 때, 관성 운동은 전기적, 자기적 또는 기타 기원의 힘의 영향을 받지 않고 오직 중력 질량의 영향만 받는 물체의 운동이다.[40][41]

2. 1. 관성 운동에 대한 초기 이해

존 H. 리언하르트(John H. Lienhard) 교수는 중국 전국시대(기원전 475년~기원전 221년)의 문헌을 바탕으로 한 묵자에서 관성에 대한 최초의 설명이 제시되었다고 지적한다.[9] 유럽 르네상스 이전까지, 서양 철학에서 지배적인 운동 이론은 아리스토텔레스(기원전 384년~기원전 322년)의 이론이었다. 지구 표면에서는 물리적 물체의 관성 특성이 중력, 마찰, 공기 저항의 영향으로 종종 가려지는데, 이들은 모두 움직이는 물체의 속도를 감소시키는 경향이 있었다(흔히 정지 상태까지). 이러한 사실 때문에 아리스토텔레스는 물체가 힘이 가해지는 동안에만 움직인다고 믿었다.[10][11] 그는 (지구상의) 모든 움직이는 물체는 외부의 힘(능동력)이 계속해서 움직이게 하지 않는 한 결국 정지한다고 말했다.[12] 또한 발사체가 발사한 것에서 분리된 후에도 계속 운동하는 것은 주변 매질이 발사체를 계속 움직이게 하는 (자체적으로 설명되지 않는) 작용으로 설명했다.[13]

아리스토텔레스의 운동 개념[14]은 일반적으로 받아들여졌음에도 불구하고, 거의 2천 년 동안 여러 저명한 철학자들에 의해 여러 차례 논쟁의 대상이 되었다. 예를 들어, 루크레티우스는 (아마도 에피쿠로스를 따르면서) 물질의 "기본 상태"는 정지(stagnation)가 아니라 운동이라고 주장했다.[15] 6세기에는 요한 필로포누스가 아리스토텔레스의 발사체에 대한 논의(매질이 발사체를 계속 움직이게 함)와 진공에 대한 논의(매질이 물체의 운동을 방해함) 사이의 불일치를 비판했다. 필로포누스는 운동이 주변 매질의 작용에 의해 유지되는 것이 아니라, 물체가 운동 상태에 놓일 때 물체에 부여된 어떤 속성에 의해 유지된다고 제안했다. 이것은 아직 물체를 운동 상태로 유지하는 힘이 필요했기 때문에 현대적인 관성 개념은 아니었지만, 그 방향으로의 근본적인 발걸음이 되었다.[16][17] 이러한 견해는 아베로에스와 아리스토텔레스를 지지한 많은 스콜라 철학자들에 의해 강력하게 반대되었다. 그러나 이 견해는 이슬람 세계에서는 필로포누스의 사상을 더욱 발전시킨 여러 지지자들이 있었기 때문에 도전받지 않은 것은 아니었다.

11세기에는 페르시아의 폴리매스인 이븐 시나(아비케나)가 진공 상태의 발사체는 작용을 받지 않는 한 멈추지 않을 것이라고 주장했다.[18]

2. 2. 임페투스 이론

장 부리당은 운동 생성 속성인 '임페투스'가 자발적으로 소멸된다는 개념을 거부했다. 부리당은 움직이는 물체가 공기 저항과 그 물체의 무게, 즉 임페투스에 반대하는 힘에 의해 정지한다고 보았다.[19] 그는 임페투스가 속도에 따라 증가한다고 주장했는데, 이는 초기 임페투스 개념이 현대의 운동량 개념과 유사한 점이 많다는 것을 보여준다. 그러나 부리당은 자신의 이론을 아리스토텔레스의 기본 철학에 대한 수정으로만 간주했으며, 운동 상태와 정지 상태의 물체 사이에 근본적인 차이가 있다는 믿음을 포함한 페리파토스 학파의 다른 견해들을 여전히 유지했다. 또한 부리당은 임페투스가 선형뿐만 아니라 원형일 수도 있다고 믿었으며, 이로 인해 천체와 같은 물체가 원을 그리며 움직인다고 생각했다.

부리당의 이론은 그의 제자인 알베르투스 드 색소니아 (1316~1390)와 옥스퍼드 계산가들에 의해 계승되었고, 그들은 아리스토텔레스 모델을 약화시키는 다양한 실험을 수행했다. 그들의 연구는 니콜 오레스메에 의해 더 발전되었으며, 그는 운동 법칙을 그래프로 나타내는 방법을 개척했다.

갈릴레오의 관성 이론 직전에 잠바티스타 베네데티는 발전하는 임페투스 이론을 선형 운동만 포함하도록 수정했다. 베네데티는 돌팔매질에서 돌의 운동을, 원운동으로 강제된 물체의 고유한 선형 운동의 예로 제시했다.

2. 3. 고전적 관성

존 H. 리언하르트(John H. Lienhard) 교수는 묵자에서 관성에 대한 최초의 설명이 제시되었다고 말한다.[9] 유럽 르네상스 이전 서양 철학에서 지배적인 운동 이론은 아리스토텔레스(기원전 384년~기원전 322년)의 이론이었다. 지구 표면에서는 물리적 물체의 관성 특성이 중력, 마찰, 공기 저항의 영향으로 종종 가려지는데, 이들은 모두 움직이는 물체의 속도를 감소시키는 경향이 있었다. 이 때문에 아리스토텔레스는 물체가 힘이 가해지는 동안에만 움직인다고 믿었다.[10][11] 아리스토텔레스는 발사체가 발사체를 발사한 것에서 분리된 후에도 계속 운동하는 것을 주변 매질이 발사체를 계속 움직이게 하는 작용으로 설명했다.[13]

일반적으로 받아들여졌음에도, 아리스토텔레스의 운동 개념[14]은 거의 2천 년 동안 여러 저명한 철학자들에 의해 논쟁의 대상이 되었다. 6세기에는 요한 필로포누스가 운동이 주변 매질의 작용이 아닌 물체가 운동 상태에 놓일 때 물체에 부여된 어떤 속성에 의해 유지된다고 제안했다. 이것은 현대적인 관성 개념은 아니었지만, 근본적인 발걸음이 되었다.[16][17] 11세기에는 이븐 시나가 진공 상태의 발사체는 작용을 받지 않는 한 멈추지 않을 것이라고 주장했다.[18]

요하네스 케플러는 ''코페르니쿠스 천문학 개요''에서 "관성"이라는 용어를 처음으로 도입했다.[24] 그러나 케플러가 정의한 관성은 운동에 대한 저항이라는 측면에서만 정의했고, 정지 상태가 설명이 필요 없는 자연 상태라는 가정[25]에 기초했다. 갈릴레오 갈릴레이는 코페르니쿠스 모형을 더 발전시키면서 당시 받아들여졌던 운동의 본질에 대한 문제점을 인식하고, 진공 속 운동에 대한 아리스토텔레스의 설명을 기본적인 물리적 원리로 재진술했다.

> 수평면에서 움직이는 물체는 방해받지 않는 한 같은 방향으로 일정한 속도로 계속 움직인다.

갈릴레오는 "모든 외부 방해가 제거되면 지구와 동심원인 구면 위의 무거운 물체는 그 상태를 유지한다."라고 썼다.[29] 과학사학자들이 "원형 관성"이라고 부르는 이 개념은 뉴턴의 직선 관성 개념의 전조이지만, 뉴턴의 개념과는 다르다.[31][32]

갈릴레오의 관성 개념은 아이작 뉴턴에 의해 그의 운동 법칙 중 첫 번째 법칙으로 수정되고, 체계화되었다.

> 모든 물체는 외부의 힘이 작용하지 않는 한 정지 상태 또는 직선으로 일정한 속도로 운동하는 상태를 유지한다.[37]

뉴턴은 운동 법칙에서 이 개념을 정의했음에도 "관성"이라는 용어를 사용하지 않았다. 그는 원래 각 현상을 물질에 내재된 가속도에 저항하는 "타고난 힘"에 의해 발생한다고 보았다. 뉴턴은 "관성"을 현상 자체가 아니라 현상의 ''원인''으로 정의했다. 그러나 뉴턴의 "타고난 저항력"에 대한 원래 아이디어는 여러 가지 이유로 문제가 되었고, 대부분의 물리학자들은 더 이상 이러한 용어로 생각하지 않는다. 따라서 "관성"이라는 용어는 어떤 내재적 메커니즘이 아니라 현상 자체를 의미하게 되었다.

2. 4. 상대성 이론

알베르트 아인슈타인의 1905년 논문 "움직이는 물체의 전기역학에 관하여"에서 제시된 특수 상대성 이론은 갈릴레오, 하위헌스 그리고 뉴턴이 발전시킨 관성 기준계에 대한 이해를 바탕으로 이루어졌다. 이 혁신적인 이론은 질량, 에너지, 거리와 같은 많은 뉴턴 역학 개념의 의미를 상당히 변화시켰지만, 아인슈타인의 관성 개념은 처음에는 뉴턴의 원래 의미와 변함없이 남아 있었다. 그러나 이것은 특수 상대성 이론에 내재된 한계를 초래했는데, 상대성 원리는 관성 기준계에만 적용될 수 있었다는 점이다. 이러한 한계를 해결하기 위해 아인슈타인은 비관성(가속) 기준계를 포함하는 이론을 제공하는 일반 상대성 이론("일반 상대성 이론의 기초", 1916)을 개발했다.[39]

일반 상대성 이론에서 관성 운동의 개념은 더 넓은 의미를 갖게 되었다. 일반 상대성 이론을 고려할 때, 관성 운동은 전기적, 자기적 또는 기타 기원의 힘의 영향을 받지 않고 오직 중력 질량의 영향만 받는 물체의 운동이다.[40][41] 물리적으로 말하면, 이것은 제대로 작동하는 3축 가속도계가 고유가속도를 감지하지 못할 때 나타내는 것과 정확히 일치한다.

3. 뉴턴의 운동 방정식

관성이 크면 같은 힘 \vec{F}을 더해도 가속도 \vec{a}는 작아진다. 여기서 질량 \boldsymbol{m} 값의 크기는 각 물체의 관성의 크고 작음을 나타내는 양을 말하며, 관성 질량으로 불린다.

4. 관성력

물체가 뉴턴의 운동 법칙에 따라 운동하는 것은, 그 물체를 관성계에서 본 경우에만 해당한다. 관측자가 비관성계에 있는 경우, 즉 관측자가 관성계에 대해 가속 또는 회전 또는 이 둘 모두를 하고 있는 경우에는, 관성계에서 관측했을 때 보이는 힘 외에 관측자의 운동에 의존하는 외견상의 힘이 작용한다. 이 외견상의 힘(fictitious force영어)을 '''관성력'''(inertial force영어)이라고 한다.

5. 회전 관성

회전 관성(관성 모멘트)은 회전하는 강체가 일정한 회전 운동 상태를 유지하는 성질이다. 외부 토크가 작용하지 않는 한 각운동량은 변하지 않는데, 이것을 각운동량 보존이라고 한다. 회전 관성은 종종 강체와 관련하여 고려된다. 예를 들어, 자이로스코프는 회전축의 변화에 저항하는 성질을 이용한다.

6. 어원

관성(inertia)이라는 용어는 '게으른' 또는 '느린'을 뜻하는 라틴어 iners|이네르스la에서 유래했다.[42]

참조

[1] 웹사이트 definition of INERTIA https://www.britanni[...] 2022-07-08
[2] 웹사이트 inertia physics https://www.britanni[...] 2022-07-08
[3] 서적 Newton's Principia: the mathematical principles of natural philosophy (3rd edition) https://archive.org/[...] Daniel Adee
[4] 논문 Forced Changes Only: A New Take on Inertia 2023
[5] 웹사이트 What Newton really meant {{!}} Daniel Hoek https://iai.tv/artic[...] 2023-09-29
[6] 논문 Mistranslation of Newton's First Law Discovered after Nearly Nearly 300 Years https://www.scientif[...] 2023-09-05
[7] 서적 The Principia, The Mathematical Principles of Natural Philosophy University of California Press 1999
[8] 서적 Newton's Principia: the mathematical principles of natural philosophy (3rd edition) https://archive.org/[...] Daniel Adee
[9] 웹사이트 No. 2080 The Survival of Invention http://www.uh.edu/en[...]
[10] 서적 ''Mechanical Problems'' (''Mechanica'') https://penelope.uch[...] Loeb Classical Library Cambridge (Mass.) and London
[11] 서적 Skating https://books.google[...] John Wiley & Sons
[12] 서적 Aristotle's Science of Matter and Motion https://books.google[...] University of Toronto Press
[13] 간행물 Physics http://etext.library[...]
[14] 서적 Gravity's arc: the story of gravity, from Aristotle to Einstein and beyond https://archive.org/[...] John Wiley and Sons 2006
[15] 서적 On the Nature of Things https://upload.wikim[...] Penguin
[16] 서적 Matter, space and motion : theories in antiquity and their sequel https://books.google[...] Cornell University Press 1988
[17] 백과사전 John Philoponus http://plato.stanfor[...] 2007-06-08
[18] 간행물 An Analysis of the Historical Development of Ideas About Motion and its Implications for Teaching https://profilpelaja[...]
[19] 간행물 Quaestiones on Aristotle's Physics https://web.archive.[...]
[20] 서적 selection from ''Speculationum'' University of Wisconsin Press
[21] 서적 Essays on Galileo etc. https://books.google[...]
[22] 서적 The Edge of Objectivity: An Essay in the History of Scientific Ideas https://archive.org/[...] Princeton University Press
[23] 서적 Isaac Beeckman on Matter and Motion: Mechanical Philosophy in the Making https://books.google[...] Johns Hopkins University Press
[24] 서적 The Cambridge Descartes Lexicon Cambridge University Press
[25] 서적 Restoring the Bioelectrical Machine https://books.google[...] Lulu Press, Inc 2018-01-26
[26] 간행물 Physica
[27] 서적 The Revolutions of the Heavenly Spheres http://www.webexhibi[...]
[28] 서적 Galilean Relativity and Galileo's Relativity Kluwer Academic Publishers
[29] 웹사이트 Galilei's presentation of his principle of inertia, p. 113 https://archive.org/[...] 2022-07-31
[30] 서적 Discoveries and Opinions of Galileo Doubleday Anchor
[31] 서적 Galilean Relativity and Galileo's Relativity https://books.google[...] Kluwer Academic Publishers
[32] 서적 The Mechanisation of the World Picture https://archive.org/[...] Oxford University Press
[33] 웹사이트 Discoveries and Opinions of Galileo, p. 113-114 https://archive.org/[...] 2022-07-31
[34] 서적 Letters on Sunspots Doubleday Anchor
[35] 서적 University Physics https://archive.org/[...]
[36] 서적 Dialogue Concerning the Two Chief World Systems http://www.webexhibi[...]
[37] 서적 Newton's Principia : the mathematical principles of natural philosophy https://archive.org/[...] Daniel Adee
[38] 웹사이트 Classical Mechanics: MIT 8.01 Course Notes http://web.mit.edu/8[...] 2016-09-09
[39] 서적 The Foundation of the General Theory of Relativity https://web.archive.[...] Princeton University Press 2014-05-30
[40] 서적 Einstein's Theory of Relativity https://archive.org/[...] Courier Dover Publications
[41] 웹사이트 Einstein's Theory of Relativity - inertial motion, p. 252 https://archive.org/[...] New York, E. P. Dutton and company, publishers
[42] 웹사이트 inertia {{!}} Etymology, origin and meaning of inertia by etymonline https://www.etymonli[...] 2023-10-01



본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com