운동학과 동역학 - 실험 도서관

1. 운동학

운동학(Kinematics)은 힘과 토크를 고려하지 않고 물체의 위치, 속도, 가속도 등을 연구하는 분야이다. 운동학에서는 주로 다음과 같은 물리량들을 다룬다:

위치 (Position, $\mathbf{p}$ ): 물체의 특정 시점에서의 좌표를 나타낸다.
속도 (Velocity, $\mathbf{v}$ ): 단위 시간당 위치의 변화율이다. 수식으로는 다음과 같이 표현할 수 있다:

$\mathbf{v} = \frac{d\mathbf{p}}{dt}$

가속도 (Acceleration, $\mathbf{a}$ ): 단위 시간당 속도의 변화율이다. 수식으로는 다음과 같다:

$\mathbf{a} = \frac{d\mathbf{v}}{dt} = \frac{d^2\mathbf{p}}{dt^2}$

이런 기초 물리량들을 바탕으로 물체의 운동을 시간 함수로 표현할 수 있다.

예: 2차원 평면에서의 직선 운동

만약 2차원 평면에서 물체가 일정한 가속도로 운동한다면, 물체의 위치와 속도는 다음과 같이 표현할 수 있다. 초기 위치를 $\mathbf{p}_0$ , 초기 속도를 $\mathbf{v}_0$ , 그리고 일정한 가속도를 $\mathbf{a}$ 라고 가정한다.

위치:

$\mathbf{p}(t) = \mathbf{p}_0 + \mathbf{v}_0 t + \frac{1}{2} \mathbf{a} t^2$

속도:

$\mathbf{v}(t) = \mathbf{v}_0 + \mathbf{a} t$

이러한 기본 공식들은 두 가지 중요한 원리를 바탕으로 한다: 등속 직선 운동과 등가속도 운동.

2. 동역학

동역학(Dynamics)은 물체의 운동을 실제로 일으키는 힘과 토크를 고려하는 분야이다. 뉴턴의 운동 법칙들과 같은 규칙에 의해 물체의 운동을 분석한다.

뉴턴의 제1 운동 법칙 (관성 법칙)

외부에서 힘이 작용하지 않는 한, 물체는 정지 상태를 유지하거나 일정한 속도로 직선 운동을 계속한다.

뉴턴의 제2 운동 법칙 (가속도 법칙)

물체에 작용하는 총 힘이 물체의 질량과 가속도의 곱과 같다. 수식으로 표현하면 다음과 같다:

$\mathbf{F} = m \mathbf{a}$

여기서 $\mathbf{F}$ 는 힘, $m$ 은 질량, $\mathbf{a}$ 는 가속도이다.

뉴턴의 제3 운동 법칙 (작용-반작용 법칙)

모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 존재한다.

예: 2차원 평면에서의 물체 운동

고정된 박스에 로프가 연결되어 있고, 로프에 일정한 힘 $\mathbf{F}$ 가 작용한다고 가정한다. 물체의 초기 속도는 $\mathbf{v}_0$ , 질량은 $m$ 이다.

가속도:

$\mathbf{a} = \frac{\mathbf{F}}{m}$

속도:

$\mathbf{v}(t) = \mathbf{v}_0 + \mathbf{a} t$

위치:

$\mathbf{p}(t) = \mathbf{p}_0 + \mathbf{v}_0 t + \frac{1}{2} \mathbf{a} t^2$

3. 에너지와 일

동역학에서 중요한 개념 중 하나는 에너지와 일이다. 물체의 운동과 이를 변화시키는 힘의 관계를 설명한다.

운동 에너지 (Kinetic Energy)

운동 에너지는 물체의 운동 상태에 따라 결정된다. 물체의 질량이 $m$ 이고 속도가 $\mathbf{v}$ 일 때, 운동 에너지는 다음과 같이 정의된다:

$KE = \frac{1}{2} m \mathbf{v}^2$

위치 에너지 (Potential Energy)

위치 에너지는 물체의 위치에 따라 결정되는 에너지이다. 여러 종류의 위치 에너지가 존재하지만, 대표적으로 중력장 내에서의 위치 에너지를 들 수 있다:

$PE = mgh$

여기서 $m$ 은 물체의 질량, $g$ 는 중력 가속도, $h$ 는 기준점으로부터의 높이이다.

일 (Work)

일은 힘이 물체를 이동시키는 과정에서 에너지가 변환되는 것을 의미한다. 일정한 힘 $\mathbf{F}$ 가 물체를 $\mathbf{d}$ 만큼 이동시킬 때, 일은 다음과 같이 정의된다:

$W = \mathbf{F} \cdot \mathbf{d}$

이 때, 점곱 $\cdot$ 은 힘과 이동 거리 간의 각도를 고려하여, 실제로 물체를 이동시키는 방향의 성분만을 계산한다.

에너지 보존 법칙

에너지 보존 법칙은 고립 시스템의 전체 에너지가 일정하다는 원리이다. 즉, 운동 에너지(KE)와 위치 에너지(PE)의 합이 항상 일정한다:

$\text{Total Energy} = KE + PE = \text{constant}$

4. 회전 운동

회전 운동은 물체가 일정한 중심을 기준으로 회전하는 운동을 말한다. 이 때 중요한 물리량들은 다음과 같다:

각속도 (Angular Velocity, $\omega$ ): 단위 시간당 회전 각도이다.
각가속도 (Angular Acceleration, $\alpha$ ): 단위 시간당 각속도의 변화율이다.
토크 (Torque, $\tau$ ): 회전을 일으키는 힘의 효과이다. 수식으로는,

$\tau = r \times F$

여기서 $r$ 은 회전축부터 힘이 작용하는 점까지의 거리, $F$ 는 힘이다.

관성 모멘트 (Moment of Inertia)

회전 운동에서는 질량이 어떻게 분포되어 있는지가 중요하다. 관성 모멘트는 물체의 질량이 회전축 주변에 분포된 양상에 따라 정의된다. 저명하는 공식을 사용하여,

$I = \sum m_i r_i^2$

여기서 $I$ 는 관성 모멘트, $m_i$ 는 질량의 부분, $r_i$ 는 회전축부터 질량의 부분까지의 거리이다.

회전 운동 방정식

뉴턴의 운동 법칙을 회전 운동에 적용하면, 다음과 같은 회전 운동 방정식을 얻을 수 있다:

$\tau = I \alpha$

여기서 $\tau$ 는 토크, $I$ 는 관성 모멘트, $\alpha$ 는 각가속도이다.

5. 진동 운동

진동 운동은 물체가 평형 위치를 중심으로 반복적으로 운동하는 패턴을 말한다. 가장 흔한 예로는 단진자와 스프링-질량 시스템이 있다.

훅의 법칙 (Hooke's Law)

스프링-질량 시스템에서 스프링의 복원력은 다음과 같이 정의된다:

$F = -kx$

여기서 $k$ 는 스프링 상수, $x$ 는 평형점으로부터의 변위이다.

단진자 운동

단진자의 경우, 작은 각도에서의 운동은 근사적으로 다음과 같은 단조화 운동으로 설명된다:

$T = 2\pi \sqrt{\frac{L}{g}}$

여기서 $T$ 는 주기, $L$ 는 진자의 길이, $g$ 는 중력 가속도이다.