1. 관성력 (Inertial Force, 慣性力)
ㅇ [동역학/유체역학] 자신의 운동 상태를 유지하려는 성질에서 나타나는 힘
- 속도가 클수록, 밀도(ρ)가 클수록 커짐
ㅇ [비관성계] 물체의 관성에 의한 겉보기 힘 (가상의 힘)
- 관성 기준틀에 대해 가속 운동을 하는 비관성 기준틀 내에서,
- 뉴튼의 운동 법칙(F = ma)을 성립시키기 위해 도입한 가상의 힘
2. [비관성계] 관성력의 특징
ㅇ 겉보기 힘 (가상의 힘)
- 실제 물체 간의 상호작용(마찰력, 전자기력 등)으로 발생하는 힘이 아니라,
. 좌표계 자체의 가속 때문에 나타나는 효과
- 즉, 가속의 원인이 아니라 그 결과임
ㅇ 가속도와는 반대 방향 : 관성력을 일으키는 가속도의 반대 방향
ㅇ 반작용의 부재 : 실제 힘이 아니므로, 뉴튼의 제3법칙(작용-반작용)이 적용되지 않음
3. [비관성계] 관성력의 표현식 : 비관성 기준틀 내 질점의 운동방정식
ㅇ 비관성 기준틀에서는, 뉴튼의 운동 법칙이 그대로 성립하지 않으나,
- 약간의 수정을 통해, 비관성 기준틀에서도 직접 뉴튼의 제2법칙(F = ma)을 적용할 수 있음
ㅇ 이를위해, 가속되는 좌표계에 의해서 만 나타나는 관성력들을,
- 다음과 같이 운동방정식 내에 포함시켜야 함
[# m\mathbf{a}_{rot} = \mathbf{F}_{real} \; - m\mathbf{a}_0 - m\boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}) - m(\dot{\boldsymbol{\omega}} \times \mathbf{r}) - 2m(\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{v}) #]
4. [비관성계] 관성력의 종류
※ 관찰자가 속한 기준계가 병진 가속 운동할 때 : 병진 관성력
ㅇ 병진 관성력 (Translational Inertial Force) : 기준틀이 직선상에서 가속될 때 발생
- {# \mathbf{F}_{trans} = -m\mathbf{a}_0 #}
- 例) 갑자기 출발하는 버스 안에서 승객이 뒤로 밀리는 현상
※ 관찰자가 속한 기준계가 회전 운동을 할 때 : 원심력, 오일러 힘, 코리올리 힘
- 가속 운동은, 속도의 증감시에 만 있는 것이 아니라, 방향 변화시에도 있음
ㅇ 원심력 (Centrifugal Force) : 기준틀이 회전할 때 발생
- {#\mathbf{F}_{cf} = -m\boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})#}
- 회전축에서 바깥쪽으로 멀어지려고 함
. 물체 속도와 관계없이, 회전 반경(r)과 각속도(ω)에 의해서만 결정됨
. 회전축으로부터의 거리에 비례
ㅇ 오일러 힘 (Euler Force) : 기준틀의 회전 속도(각가속도)가 변할 때 발생
- {# \mathbf{F}_{euler} = -m(\dot{\boldsymbol{\omega}} \times \mathbf{r}) #}
- 원심력이나 코리올리 힘이 회전 속도가 일정해도 존재할 수 있는 것과 달리,
. 오일러 힘은 회전이 빨라지거나 느려질 때만 나타나고,
. 회전 가속 방향의 반대 방향(접선 방향)으로 작용
- 例) 회전목마가 갑자기 급가속하며 회전을 시작할 때,
. 몸이 회전 반대 방향(뒤쪽)으로 쏠리는 힘
ㅇ 코리올리 힘 (Coriolis Force, 전향력) : 회전하는 기준틀 내 물체가 이동할 때 추가로 발생
- {# \mathbf{F}_{cor} = -2m(\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{v}) #}
- 회전체 위 관측자가 반지름 방향 안쪽 또는 바깥쪽으로 움직일 때 경험하는 힘
. 이 힘은 관측자의 운동 방향과 회전축 모두에 수직으로 작용함
. 물체 속도(v)에 비례하며, 운동 방향의 수직 방향으로 경로를 편향시킴
- 이 힘의 이유로는,
. 회전축에서 멀수록, 궤도/둘레 속도가 커지고
. 회전축에서 가까울수록, 궤도/둘레 속도가 작아지기 때문임
- 例) 자전하는 지구에서 공기가 북쪽으로 이동할 때,
. 북반구 : 진행 방향의 오른쪽(동쪽)으로 편향
.. 북쪽으로 이동하는 공기 → 동쪽으로 편향
.. 남쪽으로 이동하는 공기 → 서쪽으로 편향
.. 적도 부근에서 북쪽으로 향하는 공기 → 북동쪽으로 휘어짐 ⇒ 편서풍 형성에 기여
.. 중 위도에서 적도로 향하는 공기 → 남서쪽으로 휘어짐 ⇒ 북동 무역풍 형성
. 남반구 : 진행 방향의 왼쪽(서쪽)으로 편향
.. 북쪽으로 이동하는 공기 → 서쪽으로 편향
.. 남쪽으로 이동하는 공기 → 동쪽으로 편향
.. 중 위도에서 적도로 향하는 공기 ⇒ 남동 무역풍 형성
.. 적도 부근에서 남쪽으로 향하는 공기 ⇒ 북서풍(편서풍)