1. 개요
힘이란 사람을 비롯한 생물이 자신 혹은 남을 움직일 수 있게 하는 능력의 정도를 말한다. 동물은 주로 근육을 통해 힘을 발휘한다. 비유적으로 의미를 확장하여 무형의 영향력을 힘이라고 일컫기도 한다.2. 물리학에서
영어의 force를 '힘'으로 번역한다.
고전역학에서 힘은 '물체의 운동 상태 또는 모양을 변화시키는 작용'을 말한다. 여기서 질점 개념을 도입하면 물체의 모양이 변하는 것도 물체를 이루는 질점의 운동 상태를 변하게 하는 것으로 볼 수 있으므로 결국에 물체의 운동 상태를 변하게 하는 작용이 된다.
아이작 뉴턴이 개념적으로 정립하였으며, 단위도 그의 이름을 딴 '뉴턴'([math(\rm N)])을 쓴다.
역학적으로는 중력, 전기력, 자기력, 탄성력, 마찰력 등의 힘이 존재한다. 이를 비롯하여 우주상에 있는 모든 힘은 4가지의 기본 상호작용으로 이루어져 있다.
2.1. 특징
쉽게(단순하게) 설명하자면 물체의 운동에 변화를 일으키는 작용이 힘이라고 생각하면 된다. 물체의 모양을 변화시킨다는 부분은 일단 잊자.[1][2] 당신이 정지해 있는 쇼핑 카트를 손으로 밀어 굴린다든지, 굴러가고 있는 쇼핑 카트를 손으로 잡아 정지시킨다든지, 땅에 떨어져 있는 돌멩이를 들어올린다든지 했을 때 당신이 이러한 물체들에게 가한 물리량이 바로 힘이다.일상에서도 이 힘들의 작용이 다양하게 나타난다. 특히 중력은 지구상의 모든 생명체와 물체에 끊임없이 작용하기 때문에 역학 중에서도 매우 중요한 역할을 한다. [3] 예를 들어 지상의 물체에 작용하는 지구의 중력은 물체를 지구 중심방향으로 끌어당기려 하는 작용이며, 태양과 행성 사이에 작용하는 중력은 행성이 태양 주위를 공전하고, 달과 지구 사이에서는 달은 지구의 중력을 받으며 공전하는 원인이 되는 것 등이 있다. 물론 주변의 물체들 사이에서는 작용하는 중력의 크기는 지구 중력에 비해 매우 작아서 효과를 기대하긴 어려울 수 있다.[4]
힘을 구하는 공식인 [math(\mathbf{F}=m \mathbf{a})]는 '힘은 물체( 질량)를 가속시키거나 감속시키는 작용'임을 보여준다. 물체의 질량에, 그 물체의 가속도를 곱하면 물체에 작용시킨 힘의 크기를 구할 수 있는 것이다. 이 공식은 아이작 뉴턴의 유명한 운동법칙 중 두 번째 법칙이지만, 이 공식의 형태로 정리한 것은 뉴턴이 아니라 레온하르트 오일러였다.
위에서 나온 '가속도'란 표현을 보면 알 수 있듯, 힘은 양(magnitude)뿐만 아니라 방향(direction)을 갖고 있다. 쇼핑 카트를 잡고 내쪽으로 끌어당기는 경우와 앞으로 밀어내는 경우 힘의 양은 같지만 방향은 반대다. 이처럼 방향성을 갖는 물리량을 ' 벡터'로 부른다.
힘이 가속도와 관련된다는 부분은 언뜻 보기엔 직관과 차이를 보인다. 현실의 물체는 대체로 힘을 계속 주어야 일정한 속도로 움직이기 때문이다. 물리학적으로는 마찰력이 존재하기에 등속 운동을 위해서는 마찰력만큼의 힘을 주어 마찰력을 상쇄시킬 필요하다고 설명한다.
2.2. 개념사
과거에도 "운동하는 물체는 무언가의 값(물리량)을 지닌다"라는 개념은 상정하고 있었다. 간단한 예로, 무거운 물체로 못을 톡 두드려서 박는 깊이와 가벼운 망치로 휘둘러 박는 깊이가 동일하다든지. 이 예측된 물리량을 어떻게 정의하는가로 논쟁이 벌어졌다. 데카르트는 질량*속도를 주장했으며 라이프니츠는 질량*속도제곱을 주장했다. 데카르트나 라이프니츠의 'vis viva' 논쟁이다. 당시에는 힘과 에너지를 구분하지 않았던 것을 알 수 있다. 이러한 관행은 18세기까지도 계속되었다.
오일러는 힘을 데카르트 좌표계 상의 벡터로 나타내고, 운동방정식을 물체의 각 부분으로 나눠서 적용할 수 있도록 확장하였다. 오일러에 의해 수학적 표기법이 확립된 뒤인 1743년 장 르 롱 달랑베르가 운동에너지, 운동량, 힘의 개념과 그 관계를 명확하게 정의하면서 논쟁이 해결되었다. 뉴턴이 고전역학을 만들었다고 하지만 정확히 말하자면 고전역학은 그와 더불어 18세기에 일어난 중요한 발전들을 통해 정립된 것이다.
그런데 19세기 들어서 해밀턴 역학이 도입되면서 힘보다는 운동량이 더욱 근본적이라 여겨지기 시작했다. 힘은 "운동량의 시간 변화율"로 표현되었다. 또한 해밀턴 운동방정식([math(\dot{\bm{p}}=-\nabla \bm{q} \mathcal{H})])에서 운동에너지 성분을 무시할 수 있었기 때문에 결과적으로 힘은 퍼텐셜 에너지의 그라디언트([math(\bm{F}=-\nabla U)])로 설명되기에 이르른다. 양자역학에서도 힘보다 에너지 및 운동량이 중요하게 취급된다. 양자역학을 계승한 양자장론에선 힘보다는 '상호작용'(interaction)이라는 말이 더 흔하게 쓰인다.
2.3. 유사 개념
힘과 구별해야 하는 물리량으로는 방향 개념이 포함되지 않은 물리량인 여러 스칼라 물리량들이 있고, 물체에 힘을 가해 일어나는 작용인 일, 일을 할 수 있는 능력인 에너지, 일정 시간 중에 얼마만큼의 일을 했는지를 나타내는 일률, 그리고 힘과 비슷하지만 물체의 운동에 변화를 주는 것이 아니라 회전만을 일으키는 돌림힘 등이 있다.우리말의 일상 용어 및 물리학 용어에 '힘'이나 '력'(力)이란 글자가 포함되어 있지만 힘 밖의 것들이 매우 많으니(예를 들어 돌림힘, 속력, 마력) 주의해야 한다.
일률이 영어로 ' power'인데, 'power'가 일반적인(즉 물리학 용어가 아닌) 단어로는 '힘'이므로 혼동하는 이들이 많으나 일률, 즉 일 work의 시간당 비율)에 해당한다. 다만 ' Fs/t'이므로 힘값 자체는 식 내에 포함돼 있긴 하다. 에너지 역시 일상적으로는 유사한 의미로 사용되나 물리학적으로는 일을 가능케 하는 능력의 양으로 정의된다.
2.4. 관련 문서
3. 다른 종류의 힘
- 근력筋力, strength: 근육의 근섬유가 수축하는 힘. 섬유이므로 물리학적 힘으로 분류하자면 장력에 해당된다. 스트렝스 트레이닝 문서도 참고할 만하다. 위에서 보듯 동물의 힘은 주로 근력이 큰 비율을 차지한다.
-
권력權力, power,
재력財力, wealth
돈, 사회적 지위, 전문적 지식, 명예 등에서 창출되어 인간관계에 작용하는 힘. 이러한 의미에서의 힘없는 사람을 ' 사회적 약자'로 부른다. -
무력武力, (armed) force
개인이나 집단이 가진 공격력, 방어력 등의 총체이며 전투력이라고 표현하는 경우도 있다. 집단이 군을 이루면 ' 군사력(military force)'으로 부른다. -
예지력豫知力, foresight
예지력은 '미래의 일을 미리 아는 능력'으로, 초능력에 가까운 예언은 물론이거니와 논리적인 근거들을 통해 예측하는 추리에 가까운 능력도 이에 해당된다. -
국력國力, power
국가가 가진 힘. 패권에 대한 건 강대국, 초강대국, 선진국 문서에서 볼 것. -
필력筆力, writing skill
의미가 두 가지 존재하는데, '글씨의 획에서 드러난 힘이나 기운' 또는 '글을 쓰는 능력'을 의미한다. 필력은 흔히 두 번째 의미인 '글을 쓰는 능력'을 뜻하는 경우가 많다. 필력이 좋다면 소설 등의 작품을 만들거나 남을 설득하는 글을 쓰는 데 유리하다.
4. 동음이의어
5. 창작물
5.1. 캐릭터
- 드래곤 퀘스트 다이의 대모험에 등장하는 인물: 힘(드래곤 퀘스트 다이의 대모험)
- 파워퍼프걸에 등장하는 악당: 그(파워퍼프걸)
5.2. 초능력
5.3. 게임 스탯 힘(strength)
게임에서는 보통 이 능력치가 높을수록 공격력이 올라간다. 그 외에 착용할 수 있는 무기가 많아지거나 들 수 있는 아이템의 수가 늘어나는 경우도 있다.재미있는 점은 검 등의 근접전 무기라면 몰라도 총이나 폭탄 등의 무기 자체의 위력이 사용자의 근력과는 전혀 상관이 없는 원거리 무기의 공격력도 늘어난다는 것… 이러한 부분은 게임적 허용이라고 할 수 있다. 이터널시티 시리즈와 같은 현실 지향 게임이나, 최근 개발되는 게임에서는 원거리 무기 직업은 민첩, 기술과 관련된 능력치를 올려야 데미지가 올라가도록 분리한 것 같다.[5]
스탯이 세분화되는 게임의 경우 체력과 힘을 별개로 놓기도 한다.
- 힘(아발론 온라인): 아발론 온라인에 등장하는 힘 스탯을 다룬 문서이다.
[1]
대학에서 배우는 내용이다.
[2]
학생에게 힘 개념을 물체의 '변형'의 개념까지 포함해 가르칠 경우, 비틀림
모멘트의 개념을 이해할 때 혼동하는 경우가 많다. 개념만 소개시키고 넘어가는 경우, 쇠 막대기를 굽히거나 나무 막대기를 부러뜨리는(즉 변형) 경우의 힘과, 조여진 나사를 돌려서 느슨하게 만드는 경우의 비틀림 모멘트를 비교하며 변형도 변위의 일종임을 설명하면 비교적 쉽게 이해한다.
[3]
중력은 질량이 있는 모든 물체 사이에 상호작용으로 나타나는 힘이다. 두 물체 [math(A)]와 [math(B)]가 있을 때, 이들이 서로 잡아당기는 중력은 서로 크기가 같고, 방향은 반대이다. 중력은 서로 접촉하거나 멀리 떨어진 두 물체 사이에서도 작용하는데 중력의 크기는 두 물체의 질량에 비례하고, 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 물체에 작용하는 중력의 크기는 우리가 일상생활에서 많은 사람들이 흔히 말하는 무게로, 천체의 질량이나 크기에 따라 물체를 천체가 당기는 중력의 크기가 달라지기 때문에 측정값이 달라진다. 그 단적인 예로,
달에서 측정한 몸무게가
지구에서 측정할 때보다 1/6배로 가벼워지는 것을 생각해보면 더더욱 쉽게 이해할 수 있다.
[4]
뉴턴은 중력에 관한 여러가지 이론들과 3가지 운동 법칙에 따라 천체의 운동과 지구상의 물체의 운동을 같은 법칙으로 설명할 수 있음을 알아냈다.
[5]
다만 이 역시 숙련도에 가깝다. 이는 번역의 문제로 민첩을 뜻하는 AGI과 손재주를 뜻하는 DEX를 전부 민첩성으로 퉁치는 바람에 이렇게 된 것이다.