물체의 운동 상태 변화는 힘이 작용한다는 것이다. 힘은 벡터로써, 벡터 합력으로 알짜힘을 표현한다.
뉴턴의 제1 법칙 (관성의 법칙)
한 물체가 다른 어떤 물체와도 상호 작용하지 않으면, 이 물체의 가속도가 0이 되는 기준틀이 존재한다.
이런 기준틀을 관성 기준틀(관성 좌표계)이라고 한다. 즉, 관성틀은 가속도가 0인 등속으로 움직인다.
반면, 가속하는 기준틀에서의 관측자는 비관성 기준틀을 따른다.
관성 기준틀에서 볼 때, 외력이 없다면 정지해 있는 물체는 정지 상태를 유지하고, 등속 직선 운동하는 물체는 계속해서 등속 운동 상태를 유지한다.
여기서 운동 상태 변화를 거스르려고 하는 성향을 관성이라고 부른다.
속도의 변화를 거스르는 정도를 나타내는 물체의 속성으로 질량이 있다.
(같은 힘을 가했을 때 질량비의 역수가 가속도 비이다.)
(무게는 물체에 작용하는 중력의 크기로, 질량과 다른 물리량이다.)
뉴턴의 제2 법칙 (F=ma)
힘이 작용하면 물체의 운동 상태가 변화한다. 힘과 가속도는 비례하며, 가속도와 질량은 반비례한다.
관성 기준틀에서 관측할 때, 물체의 가속도는 그 물체에 작용하는 알짜힘에 비례하고 물체의 질량에 반비례한다.
이때 비례상수를 1로 두고 수학적으로 표현하면 ∑→F=m→a가 된다.
힘의 단위는 뉴턴(N)으로, 1kg·m/s2이다.
물체의 무게는 가속도가 중력 가속도인 힘으로 정의된다. (F=mg)
여기서 질량은 앞서 정의한 관성 질량과 달리, 힘의 원천이 되는 중력 질량으로 개념적으로 다르지만, 실험적으로 두 값이 같음이 뉴턴의 동역학에서 확인되었다. (질량의 등가원리)
뉴턴의 제3 법칙 (작용 반작용)
두 물체가 상호 작용할 때, 물체 1이 물체 2에 작용하는 힘 →F12는 물체 2가 물체 1에 작용하는 힘 →F21과 크기는 같고 방향은 반대이다.
일반적으로 물체가 표면에 접촉하고 있으면 표면은 물체에 항상 수직항력을 작용한다.
수직항력은 표면이 부서지기 전까지는 요구되는 어떤 값이라도 가질 수 있다.
힘을 분석할 때는 자유 물체 도형이라는 그림 표현을 이용한다.
(각 물체마다 자유물체도로 힘을 분석하고, 다시 합쳐서 하나의 물체로 생각해 최종적으로 분석한다.)
(가속도가 0이라면, 알짜힘도 0인 평형 상태이다.)
만약 비관성 자표계(가속중)라면, 무게는 관성력(가상의 힘)이 작용해 실제 무게보다 큰 겉보기 무게를 가지게 된다.
마찰력
물체가 어떤 표면 위를 운동하거나(고체 - 고체 (마찰력)) 공기나 물과 같은 점성이 있는 매질 속에서 운동할 때(고체 - 유체 (저항력)) 물체는 주위와의 상호 작용 때문에 운동하는 데 저항을 받는다.
(마찰력의 본질은 표면의 원자나 분자들 사이의 전기적 상호 작용이다.)
힘이 최대 정지 마찰력보다 크면 움직이기 시작하고, 운동하는 물체에 대해서는 운동 마찰력이 작용한다.
만일 힘과 운동 마찰력의 크기가 같다면, 가속도는 0인 등속도 운동을 한다.
접촉하고 있는 두 물체 사이의 정지 마찰력의 크기는 fs≤μsn이며,
여기서 μs는 차원이 없는 상수로서 정지 마찰 계수이다.
그리고 n은 접촉면에 의하여 물체가 받는 수직항력의 크기이다.
접촉하고 있는 두 물체 사이의 운동 마찰력의 크기는 fk=μkn이며,
여기서 μk는 운동 마찰 계수이며 속력에 따라 값이 변한다.
일반적으로 운동 마찰 계수가 정지 마찰 계수보다 작다.
마찰 계수는 접촉면의 넓이와 속력에 거의 무관하다.
매질은 매질 내에서 운동하는 물체에 저항력을 작용한다.
저항력의 크기는 속력에 따라 복잡한 방식으로 변한다.
만약 등가속도 운동하는 물체에 대해 저항력이 계속 커지면 두 힘이 상쇄되어 종단 속력에 가까워진다.