직선운동

시간에 대한 직선운동의 위치 그래프

곡선운동(속도v )과 구심가속도(a)

직선운동(直線運動, Straight line motion, Rectilinear motion)은 직선을 따라 일어나는 운동이다. 선형운동(linear motion)이라고도 부른다. 물체에 가해지는 외부 힘의 합력이 0이거나 힘이 운동방향에 평행으로 작용하여 물체가 그리는 자취가 직선이다.

물체에 외부 힘이 작용하면 모양이 변하거나, 뉴턴의 운동 제2법칙에 따라 속력이나 운동방향이 변한다. 이때 물체의 운동방향에 평행한 힘은 속력만 변화시키며 운동방향에는 영향을 주지 않는다. 그러므로 물체의 경로는 직선을 그리게 된다. 또한 외부 힘의 합력이 0이어서 관성에 의해 운동할 때도 물체는 직선으로 운동한다.

상세

3차원 공간에서 일어나는 일반적인 운동은 위치와 속도를 나타내는데 3차원 벡터를 사용한다. 직선은 일차원이기 때문에 직선운동은 예외적으로 단순한 경우이다. 운동의 기술 또한 상대적으로 단순하다고 할 수 있다. 직선운동을 하는 물체의 위치는 한 개의 좌표만을 써서 나타낼 수 있다. 예컨대, 시간 t 에서 물체의 위치는 x축 상의 좌표 x(t)로 쓸 수 있다.

직선운동은 균일한 운동과 그렇지 않은 운동의 두 가지로 나눌 수 있다. 물체에 작용하는 알짜힘이 영이면 뉴턴의 제1법칙에 따라, 물체는 균일한 속도로 직선운동을 한다. 알짜힘이 운동방향으로 가해지는 경우 물체는 여전히 직선운동을 계속하지만, 뉴턴의 제2법칙에 따라 가속도를 얻게 되어 물체는 속도가 균일하지 않은 운동을 한다. 한편, 알짜힘이 운동방향과 수직한 성분을 갖는 경우에는 이것이 속도의 방향을 변하게 하기 때문에 물체는 직선궤적을 벗어나게 된다.

직선운동은 선형운동이라고도 부른다. 곡선운동(curvilinear motion)은 직선운동과 대비되는 운동이다. 물체에 가해지는 알짜힘이 속도방향이 아닌 경우 물체의 운동방향이 변화한다. 결과적으로 물체는 직선궤도에서 벗어나게 된다. 지표면 근처에서 일어나는 포물선운동은 중력과 공기의 마찰력으로 인해 곡선운동을 하는 예이다. 곡선 궤적 상에서 물체의 속도는 항상 궤적에 접하는 방향이다. 따라서 속도는 균일하지 않다. 속도의 방향이 바뀌기 위해서는 뉴턴의 제이 법칙에 따라 운동방향에 수직방향으로 알짜힘이 가해져야 한다. 이 힘을 구심력이라고 하며, 경로방향으로 경로와 수직한 방향의 구심가속도의 원인이 된다. 즉, 곡선운동은 물체에 가해지는 알짜힘이 영이 아닐 때만 가능하다. 운동방향으로 알짜힘의 성분이 영인 경우는 속도의 크기가 변하지 않고 방향만 변한다.

등속직선운동

어떤 물체가 일정한 속력과 일정한 방향, 즉 일정한 속도로 운동하는 것을 이른다. 따라서 등속도운동과 동의어이며, 알짜힘이 작용하지 않는다.

실질적으로는 마찰력이라는 힘이 존재하며, 진공이 아니기 때문에 공기저항도 존재하므로 실제로는 일어날 수 없는 운동이라고 할 수 있다. 또한, 지구상에선 지구의 자전, 공전으로 인해 당연히 등속 직선운동은 존재할 수 없고, 우주상에서 보더라도 우주는 팽창하고 있으므로 등속직선운동은 불가능하다. 다만 마찰력 등을 계산하기 전에 제일 기본이 되는 운동이므로 배울 이유는 충분하다.

운동 속력이 바뀌거나 방향이 바뀌는 것은 등속직선운동이 아니다. 물체의 운동 방향이 바뀌려면 힘이 운동 방향과 다른 방향으로 작용해야 하는데, 그렇지 않으므로 따라서 가속도는 0이다.

일상생활에서의 예

아이스링크에서 스케이트를 신고 한 번 힘껏 밀면 직선으로 움직인다. 이때 마찰력이 없다면 처음의 속력과 방향 그대로 계속 앞으로 나아간다. 실제로는 마찰력이 운동방향의 반대방향으로 작용하여 속력이 줄어든다. 하지만 마찰력은 운동방향에 평행으로만 작용하기 때문에 진행경로가 휘어지지는 않는다.

사과는 중력이 작용하여 나무에서 떨어진다. 이때 사과의 속력은 시간이 지남에 따라 빨라진다. 그리고 사과가 처음에 나무에 정지한 채 매달려 있다면, 즉 처음 속도가 0이라면 사과는 그대로 아래쪽을 향해 직선으로 떨어진다.

참고자료

• 〈직선운동〉, 《물리학백과》
• 〈직선운동〉, 《두산백과》
• 〈직선운동〉, 《나무위키》

같이 보기

• 운동
• 마찰력
• 알짜힘

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