힘의 개념/중량과 힘의 차이/스칼라와 벡터

힘과 무게는 혼동하기 쉬운 개념입니다. 그런데 힘과 무게는 차이가 있습니다. 역학(力學)이라는 개념을 다루기 위해 힘의 개념을 살펴보겠습니다. 

 

중량과 힘의 차이/ 벡터와 스칼라

▒ 스칼라(Scalar)

무게는 g(kg 등) 단위를 써서 나타납니다. 그런데 무게와 힘에는 차이가 있습니다. 무게는 단순히 무겁거나 가벼운 정도의 양적인 차이만 있습니다. 따라서 몸무게 70kg인 사람이 30kg인 역기를 든다면 총 무게는 70kg과 30kg을 더해서 100kg으로 계산할 수 있습니다. 이처럼 양적인 차이만을 나타낸 값을 스칼라(Scalar)라고 합니다.

무게는 양적인 차이만을 나타낸다.

 

▒ 벡터(Vector)

그런데 힘에는 힘이 작용하는 방향이 추가됩니다. 예를 들어 역기를 들고 있는 사람이라면 중력과 반대방향으로 힘을 가하는 것이고, 줄다리기를 하는 사람이라면 서로 반대가 되는 수평방향으로 힘을 가하는 것이 되겠지요. 이처럼 힘은 작용점에서 전후/좌우/상하를 포함하여 모든 방향으로 작용할 수 있습니다. 이처럼 양적인 차이뿐 아니라 방향까지 포함하는 물리적인 양을 벡터(Vector)이라고 합니다.

 

 

이렇게 보면 무게는 중력(힘)에 의해 지구 중심방향으로 작용하는 힘의 일종이라고 볼 수 있습니다. 

 

사실 힘의 작용은 눈으로는 볼 수는 없습니다. 어떤 물체가 변형되고 파괴되는 것은 그 물체에 힘이 작용했기 때문인 것이고, 이렇듯 우리는 힘이 작용한 결과만 볼 수 있을 뿐이지 힘을 직접적으로 볼 수 는 없습니다.

힘에는 작용점이라고 하는 개념이 있습니다. 물체에 힘을 가할 때 그 힘이 미치는 지점을 말합니다. 줄다리기 하는 사람이라면 줄을 당기는 사람의 손과 줄이 맞닿는 지점을 말합니다.

 

스칼라와 벡터의 계산

무게처럼 양적인 차이만을 나타낸 값을 스칼라라고 하는데, 거리나 온도 등도 스칼라에 해당합니다. 이 스칼라는 양적인 차이만이 있기 때문에 단순 덧셈이나 단순 뺄셈처럼 더하거나 빼기로 계산할 수 있습니다. 

 

그런데 벡터는 양적인 차이뿐 아니라 방향의 차이도 포함되기 때문에 단순 사칙연산으로 계산해서는 안 됩니다. 예를 들어 아래 그림처럼 두 사람이 차를 끌고 있다고 가정해보겠습니다.

 

 

이때 이 두 힘을 단순히 더할 수는 없겠죠?  자동차에 가해지는 힘은 이 두 사람이 당기는 힘뿐 아니라 당기는 밧줄의 각도(방향)에 따라 달라집니다. 예를 들어 밧줄의 각도가 더 좁다면(예각이라면) 더 큰 힘으로 자동차를 당길 수 있을 것입니다. 이렇게 힘의 효율을 생각하면 힘이 작용하는 방향이 매우 중요하다는 것을 알 수 있습니다.

만일 두 사람이 밧줄 하나를 동시에 당긴다면 스칼라처럼 두 사람이 당기는 힘을 단순히 더해서 자동차에 가해지는 힘을 계산할 수 있습니다.

 

▒ <다음 글> 뉴튼, 힘의 단위

▒ 응력이란?

 

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