역학
● 역학
- 물리학의 한 분야로 외력을 받고 있는 물체의 정지 또는 운동 상태를 설명하고 예측하는 자연 과학입니다.
- 역학에는 여러 하위 분야가 있으며 크게 보아 고전역학과 양자역학으로 구분할 수 있습니다.
● 역학의 종류
- 역학에는 여러 하위 분야가 있으며 크게 보아 고전역학과 양자역학으로 구분할 수 있습니다.
- 물리학에서는 고전역학, 전자기학, 양자역학, 열역학을 4대 역학이라고 합니다.
1) 양자역학
- 미시적 수준에서의 물질의 성질을 거시적 측정값과 연결시키는 이론의 집합입니다.
2) 열역학
- 열, 일, 온도 및 다수의 입자로 이루어진 계의 통계적 성질을 다룹니다.
3) 고전 역학
- 원자보다 상대적으로 크고 빛의 속력에 비해 아주 느리게 운동하는 물체의 운동을 다룹니다.
4) 상대성 이론
- 빛의 속력과 비슷한 속력으로 움직이는 경우를 포함하여 모든 가능한 속력으로 움직이는 물체를 다룹니다.
● 고전 역학
- 아이작 뉴턴의 운도 법칙을 기반으로 한 뉴턴 역학에서 시작하여 조제프루이 라그랑주와 월리엄 로언 해밀턴 등에 의해 발전된 역학입니다.
- 갈릴레오 갈릴레이 등의 과학자들은 고전 물리학이 성립되기 이전에 이미 수리 모형으로 물체의 운동을 예측하고 있고 아이작 뉴턴은 수리 모형으로 뉴턴 운동 법칙을 완벽히 기술하여 고전 역학을 완성하였습니다.
- 고전 역학에서는 물체를 좌표계에 표시할 수 있는 하나의 입자로 간주하고 고전 역학은 일정한 질량을 갖는 물체에 어떠한 힘이 가해질 때 변화하는 변위에 대해 수리 모형을 사용하여 예측합니다.
- 고전역학, 양자역학 다음으로 상대론적 양자역학이 등장함에 따라 모든 세계를 다룰 수 있게 되었습니다.
● 뉴턴 역학 법칙
- 뉴턴 운동 법칙은 물체의 운동을 다루는 세 개의 물리 법칙으로 고전 역학의 바탕을 이루고 있습니다.
1) 작용과 반작용의 법칙
- 물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B는 물체 A에 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 동시에 가합니다.
2) 관성의 법칙
- 물체의 질량 중심은 외부 힘이 작용하지 않는 한 일정한 속도로 움직입니다.
3) 가속도의 법칙
- 물체의 운동량의 시간에 따른 변화율은 그 물체에 작용하는 크기와 방향에 있어서 같습니다.
● 동역학
- 동역학은 공대에서 말하는 4대 역학 중 하나로 물체 사이에 작용하는 힘과 물체의 운동과의 관계를 연구하는 학문입니다.
- 현대의 기계는 매우 복잡한 메커니즘으로 돌아가는데 구동 과정에서 필연적으로 진동이 발생하게 되는데 이를 분석하고 제어하기 위한 동역학과 그의 심화 버전인 기계 진동학이 있습니다.
- 동역학은 고등학교 물리 1, 물리 2의 역학의 상위 호환이며 일반적으로 대학교에서는 동역학은 물리학보다는 기계공학에서 많이 쓰입니다.
● 운동학
- 운동학은 동역학의 하위 분야로 다뤄지기도 한고 이 경우엔 흔히 운동 기하학이라고도 불립니다.
- 운동학은 입자나 물체 또는 다수의 물체가 모여 이루어진 계의 운동을 다루는 고전 역학의 하위 학문입니다.
- 운동학은 운동의 양상만을 다루고 운동이 일어나는 원인에 대해서는 고려하지 않습니다.
- 물체의 이동에 따라 측정되는 속력이나 가속도 등도 기하학적으로 나타낼 수 있습니다.
- 운동학은 천체물리학에서 천체의 움직임을 나타내는 것부터, 기계공학에서 부품의 움직임을 예측하거나 로봇공학에서 로봇팔의 움직임을 설계하는 일, 그리고 생체 역학에서 골격의 움직임을 설명하는 등 다양한 분야에서 쓰입니다.
● 상대론적 역학
- 고전 역학은 원자보다 크고 빛의 속력보다 매우 느린 물체의 운동에 대해서는 정확히 예측할 수 있으나 빛이 속력과 가까운 물체의 운동에 대해서는 통용되지 않습니다.
- 고전 역학의 운동 이론을 적용하면 전자의 운동 에너지가 네 배가 될 때 전자의 속력은 빛의 속력의 1.98 배에 이르러야 하나 실제로는 0.99 배로서 여전히 빛의 속력보다 작습니다.
- 상대성 이론의 수리 모형은 물체의 속력이 느린 경우에 뉴턴 역학의 식으로 환원되었고 뉴턴 역학은 상대성 이론의 특수한 경우라고 설명될 수 있습니다.
1) 특수 상대성 이론
- 시간과 공간이 기존의 고전 역학에서 다루는 것과 같은 정적인 독립 변수가 아니라 서로 결합된 4차원 벡터인 시공간으로서 다루어집니다.
- 두 가지 사항에 따라 서로 다른 관성계에 놓인 물체와 관찰자 사이의 거리, 시간 등의 측정값은 상대 운동의 속력에 따라 변할 수 있다는 결론에 도달하게 됩니다.
- 빛과 같은 질량이 없는 입자를 내보내는 물체와 관찰자가 서로 어떠한 상대 운동을 하던지 빛의 속력은 이와 무관하게 늘 일정함을 밝혔습니다.
2) 일반 상대성 이론
- 일반 상대성 이론에서는 중력을 시공간의 곡률로 해석합니다.
- 관찰자의 입장에서 보면 시공간 자체가 늘어나거나 줄어드는 것처럼 보이게 되고 아인슈타인은 이러한 이론을 바탕으로 중력 렌즈 현상을 예측하고 있습니다.
● 양자 역학
- 양자 역학은 원자 이하의 물질들 사이에서 일어나는 상호 작용을 설명하는 역학 이론입니다.
- 20세기 이후 물리학자들은 이런 미시 세계에서 일어나는 상호 작용들을 설명하기 위한 이론을 개발하고 실험을 통해 입증하여 왔다. 양자는 더 이상 나눌 수 없는 물리량의 기본 단위를 뜻합니다.
- 고전 역학에서도 물질이나 전하 같은 입자로 취급할 수 있는 물리량은 양자로서 설명할 수 있고 고전 역학에서는 전자기 복사와 같은 에너지의 흐름은 연속되는 양으로서만 취급합니다.
- 플랑크는 흑체 복사의 측정 자료와 일치하는 수리 모형을 제시하기 위하여 방출된 빛의 에너지가 훗날 플랑크 상수로 불리게 된 특정한 상수와 진동수를 곱한 값의 정수배로만 주어진다고 가정하였고 가정은 여러 차례의 실험을 통하여 잘 들어맞는 것이 확인되었다.