뉴턴의 제 1법칙

힘이 운동에 어떤 영향을 주는지에 관해서는 아무 것도 이야기 하지 않았다. 물체에 미치는 알짜힘이 영일 때, 무슨일이 일어나는지를 생각해 보자. 여러분은 분명 물체가 정지 상태에 있고, 알짜힘이 미치지 않았다면(즉 실제로 밀거나 당기지 않았다면), 물체는 정지 상태로 남아 있을 것이라는 데에 거의 확실히 동의할 것이다. 그러나 영이 아닌 알짜힘이 움직이고 있는 물체에 작용한다면 어떻게 될까? 이러한 경우 무슨 일이 일어나는지를 알아보기 위하여, 수평한 책상에서 손으로 수평 방향의 힘을 가하면서 하키 퍽을 미끄러뜨린다고 생각해보자. 미는 것을 중지하면, 퍽은 분명히 계속적으로 움직이지 않고, 속도가 느려지면서 정지한다. 계속적으로 움직이게 하려면, 계속 밀어야 한다.(즉 힘을 가하여야 한다.) 여러분은 운동 상태에 있는 물체는 자연적으로 정지 상태가 되며, 지속적으로 운동을 하기 위해서는 힘이 필요하다는 상식적인 결론에 도달하게 될 것이다. 이제 새롭게 왁스칠을 한 매끄러운 수평면에서 퍽을 민다고 상상을 하자. 퍽은 정지하기까지 훨씬 멀리까지 므끄러질 것이다. 퍽을 공기부상대에 놓아서 공기 쿠션에 띄운다면 더욱 멀리까지 날아갈 것이다. 각각의 경우에서 퍽을 정지하게 하는 것은 마찰(friction)인데, 퍽의 밑면과 미끄러지는 표면 사이의 상호작용이다. 각각의 경우에서 표면은 퍽의 운동을 방해하는 마찰력을 가한다. 세 경우의 차이점은 마찰력의 크기이다. 미끄럽게 왁스가 칠해진 바닥은 책상 표면보다 더 적은 마찰을 가하므로, 퍽은 더 멀리까지 미끄러진다. 공기부상대의 기체분자들은 최소의 마찰을 준다.만일 마찰을 완전히 제거할 수 있다면 퍽은 결코 정지하지 않을 것이며, 퍽이 한번 움직인 후에 계속 움직이게 하기 위해서 전혀 힘을 들일 필요가 없을 것이다. 그러므로 지속적인 운동을 위해서 힘이 필요하다는 상식적인 생각은 맞지 않다. 앞에서 살펴본 실험은, 물체에 작용하는 알짜힘이 없을 때 물체는 정지상태로 남아 있거나, 일정한 속도로 직선운동을 한다는 것을 보여준다. 물체가 한번 운동 상태로 되면, 계속 움직이게 하기 위한 알짜힘이 필요하지 않다. 바꾸어 말하면 알짜힘이 가해지지 않는 물체는 일정한 속도(속도가 영일 수도 있다.)로 움직이며, 영의 가속도를 갖는다. 이것이 뉴턴의 제1 법칙이다. 물체가 한번 운동을 시작하면 계속적으로 움직이려고 하는 경향은 관성(inertia)으로부터 온 결과이다. 병을 흔들어서 케찹을 나오게 하려고 할 때, 이러한 성질을 이용하는 것이다. 처음 병을 앞으로 움직인 다음 병을 뒤로 잡아당길 때 케찹은 계속 앞으로 움직이려는 경향이 있다. 그러면 원하는 대로 케찹이 여러분의 햄버거 위로 흘려나온다. 정지 상태에 있는 물체가 정지 상태를 유지하고자 하는 것도 관성에 의한 것이다. 여러분은 도자기를 전혀 깨지 않고 도자기 밑의 식탁보를 재빨리 잡아당겨 빼는 것을 본 일이 있을 것이다. 도자기에 작용하는 힘은 식탁보를 빼내는 짧은 시간 동안 도자기를 움직이게 할 수 있을 만큼 크지 않다. 뉴턴의 제 1법칙에서 알짜힘이 무슨 일을 하는가에 주의를 기울이는 것은 중요하다. 예를 들어, 수평의 책상 위에 정지상태로 놓여 있는 물리책은 두가지 힘을 받고 있다. 지구에 의한 아래 방향으로의 중력(책상 표면이 지표면에서부터 떨어져 있어도 작용하는 원거리 힘)과 책상 표면이 가하는 위 방향으로의 지지력(접촉력)이다. 표면의 위 방향으로 미는 힘은 중력이 아래 방향으로 잡아당기는 힘과 크기가 같다. 그러므로 책에 작용한 알짜힘(즉, 두 힘의 벡터함)은 영이다. 뉴턴의  1 법칙과 일치한다. 즉, 책이 책상 위에 정지해 있었다면 계속 정지 상태에 있게 된다. 같은 원리를 저항이 없는 수평면에서 미끄러지는 하키 퍽에 적용할 수 있다. 퍽이 한번 움직이면, 일정한 속도로 계속 움직인다. 왜냐하면 퍽에 작용한 알짜힘이 영이기 때문이다. (표면에 의한 위 방향의 지지력을 수직항력(normal force)이라고 부른다. 왜냐하면 이 힘의 방향은 접촉한 표면과 수직이기 때문이다.)

다른 예를 살펴보자. 공기부상대 또는 얼음판과 같이 무시될 만한 마찰을 가진 수평면에 하키 퍽이 정지 상태로 놓여 있다고 가정하다. 만일 처음에 정지해 있는 퍽에 하나의 힘F1을 작용하면, 퍽은 움직이기 시작한다. 만일 퍽이 처음에 운동을 하고 잇었다면, 가해진 힘의 방향에 따라서 퍽의 속도나 방향 또는 두 가지 모두가 변화하게 된다. 이 경 우 알짜힘은 F1과 같으며, 영이 아니다. (F1이외에도 두 수직의 힘이 같이 존재하는데, 지구에 의한 중력과 표면이 가하는 위 방향의 접촉력이 이런 힘이다. 앞에서 이미 언급한 바와 같이 이 두 힘은 서로 소거된다.) 이제 F1과 크기가 같고 방향이 반대인 두번째 힘F2가 작용한다고 가정하다. 두 개의 힘은 각각 서로 반대 방향으로 크기가 같으며 F2=-F1, 그 벡터합은 영이다. 이 경우, 물체가 처음에 정지해 있었다면 정지한 채로 남아 있으며, 만일 처음에 움직이고 있었다면 일정한 속력을 가지고 같은 방향으로 계속 움직일 것이다. 이러한 결과들은 뉴턴의 제 1법칙에서 알짜힘이 영인 것은 힘이 전혀 미치치 않는 것과 같다는 것을 보여준다. 물체에 힘이 작용하지 않거나, 작용하는 여러 힘의 벡터합이 영일 때 물체가 평형상태에 있다고 한다. 평형 상태에서 물체는 정지해 있거나 일정한 속도로 직선 운동을 한다. 평형 상태에 있는 물체에 작용하는 알짜힘은 영이다.