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Inertia

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This article is about inertia in physics. For other uses, see Inertia (disambiguation).
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관성(Inertia)은 어떤 힘으로 인해 속도나 방향이 변경될 때까지 물체가 현재 운동을 계속할 것임을 의미합니다. 관성이라는 용어는 뉴턴에 의한 그의 운동의 첫 번째 법칙(first law of motion)에서 설명된 "관성의 원리"의 약어로 적절하게 이해됩니다.[1]

몇 가지 다른 정의 후에, 뉴턴은 그의 운동의 첫 번째 법칙을 다음과 같이 기술합니다:[2]

LAW I. 모든 각 물체는 그 위에 가해진 힘에 의해 그 상태를 바꾸도록 강요되지 않은 한, 정지 상태 또는 직선으로 균등한 운동을 계속할 것입니다.

단어 "perseveres(계속할 것입니다)"는 뉴턴의 라틴어에서 직접 번역한 것입니다.[3] "to continue" 또는 "to remain"와 같은 덜 강력한 다른 용어는 현대 교과서에서 흔히 볼 수 있습니다. 현대적인 사용은 오일러(Euler), 달랑베르(d'Alembert), 및 기타 데카르트 학파(Cartesians)에 의해 만들어진 뉴턴의 원래 역학(Principia에 명시된 대로)의 일부 변경에서 따릅니다.[4][5][6] 관성(inertia)이라는 용어는 게으른, 부진을 의미하는 라틴 단어 iners에서 유래했습니다.

관성이라는 용어는 역시 그것의 속도(velocity)에서 변화에 대한 임의의 물리적 대상(object)의 저항(resistance)을 참조할 수도 있습니다. 여기에는 물체의 속력(speed)이나 운동 방향(direction)의 변경을 포함합니다. 이 속성의 한 측면은 물체에 힘(forces)이 작용하지 않을 때 물체가 일정한 속력으로 직선으로 계속 움직이는 경향입니다. 관성은 물리 시스템(physical systems)의 양적 속성인 질량(mass)의 주요 표현 중 하나입니다.[7]

아이작 뉴턴(saac Newton)은 기념비적인 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica에서 관성을 하나의 힘으로 정의했습니다:

DEFINITION III. vis insita 또는 물질의 타고난 힘은 저항하는 힘으로 모든 각 물체가 그 안에 있는 한, 휴식을 취하거나 직선 방향으로 균등하게 앞으로 나아가는 현재 상태를 유지하려고 노력합니다.[8]

관성의 원리는 고전 물리학(classical physics)의 기본 원리 중 하나입니다. 그것은 여전히 오늘날에도 물체의 움직임과 물체에 적용된 힘이 물체에 미치는 영향을 설명하는 데 사용됩니다.

History and development of the concept

Early understanding of inertial motion

중국학자 조셉 니덤(Joseph Needham)은 묵자(Mozi) (전국 시대 (기원전 475–221)의 중국어 텍스트)를 관성에 대한 첫 번째 설명으로 공인합니다.[9]

유럽 ​​르네상스(Renaissance) 이전에 서양 철학(western philosophy)에서 지배적인 운동 이론은 아리스토텔레스(Aristotle) (기원전 335년에서 기원전 322년)의 이론이었습니다. 지구 표면에서, 물리적 물체의 관성 속성은 종종 중력과 마찰(friction)과 공기 저항(air resistance)의 영향에 의해 가려졌고, 마찰과 공기 저항은 (공통적으로 정지점까지) 움직이는 물체의 속력을 감소시키는 경향이 있습니다. 이것은 철학자 아리스토텔레스에게 물체에 오직 힘이 가해지는 한 물체가 움직일 것이라고 그릇되게 안내했습니다.[10][11] 아리스토텔레스는 외부의 동력 (힘)이 계속해서 움직이지 않은 한 지구에서 움직이는 모든 물체는 결국 정지한다고 말했습니다.[12] 아리스토텔레스는 투사체에서 분리된 후 투사체의 계속적인 움직임을 투사체를 계속 움직이는 주변 매체의 (자체 설명할 수 없는) 작용으로 설명했습니다.[13]

그것의 일반적인 수용에도 불구하고, 아리스토텔레스의 운동 개념은[14] 거의 2천년 동안 저명한 철학자들에 의해 여러 차례 논쟁을 받았습니다. 예를 들어, (아마도 에피쿠로스(Epicurus)를 뒤따른) 루크레티우스(Lucretius)는 물질의 "기본 상태"가 정지가 아니라 움직임이라고 말했습니다.[15] 6세기에, 존 필로포누스(John Philoponus)는 아리스토텔레스(Aristotle)의 발사체에 대한 논의, 매체가 발사체를 계속 가도록 하는 것과 공허(void)에 대한 그의 논의, 매체가 물체의 운동을 방해하는 것 사이의 불일치를 비판했습니다. 필로포누스는 운동이 주변 매질의 작용에 의해 유지되는 것이 아니라, 물체가 움직일 때 물체에 부여되는 속성에 의해 유지된다고 제안했습니다. 비록 이것은 현대의 관성 개념은 아니었지만, 여전히 물체를 계속 움직이게 하는 힘이 필요했기 때문에, 그 방향으로 가는 기본적인 단계임을 입증했습니다.[16][17] 이 견해는 아베로에스(Averroes)와 아리스토텔레스를 지지한 많은 스콜라 철학자들에 의해 강력하게 반대되었습니다. 어쨌든, 이 견해는 필로포누스가 그의 아이디어를 더욱 발전시킨 여러 지지자들이 있었던 이슬람 세계(Islamic world)에서 도전을 받지 않은 것이 아닙니다.

11세기에, 페르시아의 폴리매쓰 Ibn Sina (Avicenna)는 진공 상태에서 발사체가 작동하지 않은 한 멈추지 않을 것이라고 주장했습니다.[18]

Theory of impetus

Main article: Theory of impetus
See also: Conatus

14세기에, 장 뷔리당(Jean Buridan)은 자신이 추진력(impetus)이라고 이름-지은 운동-생성 속성이 자발적으로 소멸된다는 개념을 거부했습니다. 뷔리당의 입장은 움직이는 물체가 공기의 저항과 공기의 추진력에 반대하는 물체의 무게에 의해 정지될 것이라는 것이었습니다.[19] 뷔리당은 역시 추진력이 속도에 따라 증가한다고 주장했습니다; 따라서, 추진력에 대한 그의 초기 아이디어는 현대적인 운동량 개념과 여러 면에서 유사했습니다. 보다 현대적인 관성의 개념과 명백한 유사점에도 불구하고, 뷔리당은 그의 이론을 아리스토텔레스의 기본 철학에 대한 수정으로 보았고, 움직이는 물체와 정지해 있는 물체 사이에는 여전히 근본적인 차이가 있다는 믿음을 포함하여 많은 다른 소요-학파(peripatetic) 견해를 유지했습니다. 뷔리당은 역시 추진력이 선형일 뿐만 아니라 본질적으로 원형이어서, 천체와 같은 물체를 원에서 움직이도록 하는 원인이라고 믿었습니다.

뷔리당의 생각은 그의 제자 색서니의 앨버트(Albert of Saxony) (1316-1390)와 옥스퍼드 연구자들(Oxford Calculators)에 의해 뒤따랐으며, 이들은 아리스토텔레스 모델을 더욱 약화시키는 다양한 실험을 수행했습니다. 그들의 연구는 그래프로 운동 법칙을 설명하는 관행을 개척한 니콜 오렘(Nicole Oresme)에 의해 차례로 정교화되었습니다.

갈릴레오의 관성 이론 직전에, 지암바티스타 베네데띠(Giambattista Benedetti)는 성장하는 추진력 이론을 선형 운동만을 포함하도록 수정했습니다:

"…[임의의] 외부 원동력에 의해 추진력이 가해졌을 때 스스로 움직이는 임의의 유형의 물질의 일부는 곡선이 아닌 직선 경로를 따라 움직이는 자연스러운 경향이 있습니다."[20]

베네데띠는 원형 운동을 하도록 강제된 물체의 고유한 선형 운동의 예로 투석기에 든 암석의 운동을 인용합니다.

Classical inertia

과학의 역사가 찰스 콜스턴 길리스피(Charles Coulston Gillispie)에 따르면, 관성은 "신의 불변성과 결합된 데카르트(Descartes)의 공간-물질 기하학화의 물리적 결과로써 과학에 들어왔습니다."[21]

아리스토텔레스의 운동 모델에서 완전히 탈피한 최초의 물리학자는 1614년의 아이작 비크만(Isaac Beeckman)이었습니다.[22] "관성"이라는 용어는 요하네스 케플러(Johannes Kepler)에 의해 그의 Epitome Astronomiae Copernicanae에서 처음 소개했습니다 (1617–1621년에 세 부분으로 출판되었습니다);[23] 어쨌든, 케플러의 용어 (그가 "게으름"에 대해 라틴어 단어에서 파생함)의 의미는 현대적 해석과 완전히 같지는 않았습니다. 케플러는 정지가 설명이 필요 없는 자연 상태라는 가정에 기초하여 다시 한 번 운동에 대한 저항의 관점에서 관성을 정의했습니다. 갈릴레오와 뉴턴의 후기 연구가 하나의 원리로 정지와 운동을 통합한 후에야 "관성"이라는 용어가 오늘날과 같이 이들 개념에 적용될 수 있었습니다.[24]

아리스토텔레스에 의해 "공허에서의 운동"에 대해 공식화될 때, 관성의 원리는 평범한 물체가 운동에서 변화에 ​​저항하는 경향이 있다는 것을 포함합니다.[25] 아리스토텔레스의 지구의 운동과 천체 운동의 구분은 16세기 니콜라우스 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)의 결론에 직면하여 점점 더 문제가 되었으며, 그는 지구는 결코 정지하지 않고, 실제로는 태양 주위를 끊임없이 움직인다고 주장했습니다.[26] 갈릴레오(Galileo)는 코페르니쿠스적 모델을 더 발전시키면서, 당시에-수용된 운동의 본성과 관련된 이들 문제들을 인식했고, 결과적으로 적어도 부분적으로는 기본 물리적 원리로서 공허에서의 운동에 대한 아리스토텔레스의 설명의 재진술을 포함했습니다:

Galileo Galilei

평평한 표면에서 움직이는 물체는 방해받지 않은 한 일정한 속력에서 같은 방향으로 계속할 것입니다.[27]

갈릴레오는 "모든 외부 장애물이 제거된, 지구와 동심원을 이루는 구형 표면 위의 무거운 물체는 원래 있던 상태를 유지할 것입니다; 예를 들어 서쪽을 향한 움직임에 배치되면, 그 움직임에서 자신을 유지할 것입니다."[28] 과학 사학자들이 "원형 관성" 또는 "수평 원형 관성"이라고 부르는 이 개념은 직선 관성의 뉴턴 개념의 전조이지만, 그것과 구별됩니다.[29][30] 갈릴레오에 대해, 운동은 움직이는 물체가 지구의 중심을 향하거나 멀어지지 않는다면 "수평(horizontal)"이고, 그에 대해, "예를 들어, 한번 고요한 바다를 통해 약간의 추진력을 받은 배는 멈추지 않고 지구 주위를 계속 돌 것입니다."[31][32]

갈릴레오가 나중에 (1632년) 이 관성의 초기 전제에 기초하여, 그것을 비교할 어떤 외부 참조 없이 움직이는 물체와 정지한 물체 사이의 차이를 말하는 것은 불가능하다고 결론지었다는 점도 주목할 가치가 있습니다.[33] 이 관찰은 궁극적으로 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 특수 상대성(special relativity)을 개발하는 기초가 되었습니다.

갈릴레오의 저작에서 관성의 개념은 나중에 아이작 뉴턴에 의한 그의 운동 법칙(Laws of Motion) (1687년 뉴턴의 연구, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica에서 처음 출판)으로 정제, 수정, 및 성문화되었습니다:

The effect of inertial mass: if pulled slowly, the upper thread breaks (a). If pulled quickly, the lower thread breaks (b)

모든 물체는 그 위헤 가해지는 힘에 의해 그 상태를 변경하도록 강요받지 않은 한, 정지 상태, 또는 직선으로 균등한 운동의 상태를 유지합니다.[34]

초기 출판 이래로, 뉴턴의 운동 법칙 (및 포함에 의해, 이 첫 번째 법칙)은 고전 역학(classical mechanics)으로 알려진 물리학(physics) 가지의 기초를 형성하게 되었습니다.[35]

그럼에도 불구하고, 그의 운동 법칙에서 개념을 매우 우아하게 정의했음에도, 뉴턴조차도 실제로 "관성"이라는 용어를 사용하여 그의 첫 번째 법칙을 언급하지 않았습니다. 사실, 뉴턴은 원래 그의 첫 번째 운동의 법칙에서 설명한 현상을 임의의 가속도에 저항하는 물질 고유의 "내재적 힘"에 의해 야기되는 것으로 보았습니다. 이들 관점이 주어지고, 케플러에서 차용하여, 뉴턴은 "관성"이라는 용어가 "운동의 변화에 ​​저항하는 물체가 소유한 타고난 힘"을 의미하는 것으로 고려했습니다; 따라서, 뉴턴은 현상 자체가 아니라 현상의 원인을 의미하는 "관성"을 정의했습니다. 어쨌든, 뉴턴의 독창적인 "내재적 저항력" 개념은 여러 가지 이유로 궁극적으로 문제가 되었고, 따라서 대부분의 물리학자들은 더 이상 이들 용어에서 생각하지 않습니다. 대안적인 메커니즘이 쉽게 수용되지 않았고, 이제 우리가 알 수 있는 메커니즘이 없을 수도 있다는 것이 일반적으로 수용되어, "관성"이라는 용어는 임의의 고유한 메커니즘이 아니라 단순히 현상 자체를 의미하게 되었습니다. 따라서, 궁극적으로, 현대 고전 물리학에서 "관성"은 뉴턴의 첫 번째 운동의 법칙에 의해 설명된 것과 같은 현상에 대한 이름이 되었고, 두 개념은 이제 동등한 것으로 고려됩니다.

Relativity

알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 특수 상대성(special relativity)은 1905년 "On the Electrodynamics of Moving Bodies"이라는 제목의 논문에서 제안된 것으로, 갈릴레오와 뉴턴에 의해 개발된 관성 참조 프레임(inertial reference frames)의 이해를 바탕으로 구축되었습니다. 이 혁명적 이론이 질량(mass), 에너지(energy), 및 거리(distance)와 같은 많은 뉴턴학파 개념의 의미를 크게 변경했지만, 아인슈타인의 관성 개념은 처음에는 뉴턴의 원래 의미에서 변경되지 않았습니다. 어쨌든, 이것은 특수 상대성 이론에 내재된 한계를 가져왔습니다: 상대성 원리(principle of relativity)는 관성 참조 프레임만 적용될 수 있습니다. 이 한계를 해결하기 위해, 아인슈타인은 일반 상대성 이론(general theory of relativity) ("The Foundation of the General Theory of Relativity", 1916)을 개발했으며, 이 이론은 비-관성적(noninertial) (가속된) 참조 프레임을 포함하는 이론을 제공했습니다.[36] 일반 상대성 이론에서, 관성 운동의 개념은 이전보다 더 넓은 의미를 갖게 되었습니다. 일반 상대성 이론을 고려하면 관성 운동은 전기, 자기, 또는 다른 근원의 힘에 의해 영향을 받지 않지만, 중력 질량의 영향을 받는 물체의 모든 운동입니다.[37][38] 물리적으로 말해서, 이것은 제대로 작동하는 삼-축 가속도계(three-axis accelerometer)가 임의의 적절한 가속도(proper acceleration)를 감지하지 못할 때 정확히 표시되는 것입니다.

Rotational inertia

rotational inertia

관성과 관련된 양은 회전하는 강체가 균등한 회전(rotational) 운동 상태를 유지하는 속성, 회전 관성(rotational inertia) (→ 관성 모멘트(moment of inertia))입니다. 외부 토크(torque)가 적용되지 않은 한 각 운동량(angular momentum)은 변하지 않습니다; 이것은 각 운동량 보존이라고 불립니다. 회전 관성은 종종 강체와 관련하여 고려됩니다. 예를 들어, 자이로스코프(gyroscope)는 회전축에서 임의의 변화에 ​​저항하는 속성을 사용합니다.

See also

References

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  7. ^ Britannica, Science. "inertia physics". Retrieved 2022-07-08.
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  27. ^ For a detailed analysis concerning this issue, see Alan Chalmers article "Galilean Relativity and Galileo's Relativity", in Correspondence, Invariance and Heuristics: Essays in Honour of Heinz Post, eds. Steven French and Harmke Kamminga, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, ISBN 0792320859.
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  32. ^ According to Newtonian mechanics, if a projectile on a smooth spherical planet is given an initial horizontal velocity, it will not remain on the surface of the planet. Various curves are possible depending on the initial speed and the height of the launch. See Harris Benson University Physics, New York 1991, page 268. If constrained to remain on the surface, by being sandwiched, say, in between two concentric spheres, it will follow a great circle on the surface of the earth, i.e. will only maintain a westerly direction if fired along the equator. See "Using great circles" Using great circles
  33. ^ Galileo, Dialogue Concerning the Two Chief World Systems, 1632 (full text).
  34. ^ Andrew Motte's English translation:Newton, Isaac (1846), Newton's Principia : the mathematical principles of natural philosophy, New York: Daniel Adee, p. 83 This usual statement of Newton's Law from the Motte-Cajori translation, is however misleading giving the impression that 'state' refers only to rest and not motion whereas it refers to both. So the comma should come after 'state' not 'rest' (Koyre: Newtonian Studies London 1965 Chap III, App A)
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  37. ^ Max Born; Günther Leibfried (1962). Einstein's Theory of Relativity. New York: Courier Dover Publications. p. 315. ISBN 0-486-60769-0. inertial motion.
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Further reading

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