동역학 개론 및 뉴턴 3법칙

동역학 (0) - 동역학 개론 및 뉴턴 3법칙

 

 

 

 

 

 

0. 들어가며

 

저는 동역학이라는 과목이 다른 사람들이 생각하는 기계공학과 가장 유사한 학문이라고 생각합니다. 왜냐하면 뉴턴의 3법칙과 같은 우리 주위의 물리 체계를 설명하는 데 동역학이 다양하게 활용될뿐만 아니라 움직임을 파악하고 충격과 에너지를 파악하는 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 가능성이 높기 때문이에요. 기존에 진행하던 고체역학, 열역학, 유체역학이 아닌 동역학에 대해 소개하는 글을 작성하게 된 계기는 크게 2가지입니다.

 

첫째, 제가 현재 기준으로 가장 기억나지 않는 역학 과목이 바로 동역학이기 때문입니다. 동역학이라는 과목을 2학년 초에 배우고 군 복무를 끝마쳤기 때문에 1년 과정으로 진행한 열역학, 고체역학에 비해 전공 개념을 다시 복습한 공백기가 가장 긴 학문이었습니다. 여기에 더해 일반기계기사 과목을 학습할 때에도 타 역학 과목이 20문제로 구성된 것과 달리 동역학은 5과목에서 진동학과 연관되어 20문제를 형성하고 있었기에 상대적으로 그 중요도가 낮아 전략적으로 제외한 탓도 있고요. 제가 정말 운이 좋게 취업은 마무리지었지만, 취업 과정에서 부족한 전공 지식 부분을 다시 한 번 체감한만큼, 이를 복습하며 실력을 다시 끌어올리고자 합니다.

 

둘째, 타 역학 과목의 기초를 이해하는데 보다 도움이 될 수 있기 때문이에요. 유체동역학, 유체운동학, 베르누이 방정식 혹은 열역학에서의 위치/운동에너지와 같이 다른 역학 과목에서 동역학의 물리량 혹은 에너지를 다루는 개념 비중이 상대적으로 많은 것을 확인했습니다. 그래서 해당 과목의 개념에 대해 빠르게 소개하기 위해서 동역학 개념이 필요했기 때문에 이 부분을 보충하기 위해 동역학을 긴급히 포함하게 되었었습니다.

 

일단 저 역시도 오래 전 학습했기 때문에, 아는 입장에서 설명하는 것이 아닌 글을 쓰며 학습해간다라는 느낌이 강할 것 같은데요. 그래도 4년간의 정규 과정을 성공적으로 마무리지은만큼 최대한 쉽고 이해하기 편하게 설명하기 위해 노력하겠습니다. 본격적인 개념을 다루기에 앞서 동역학의 정의와 기본 개념에 대해서만 간단히 알아보겠습니다.

 

 

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1. 동역학의 정의

 

동역학을 어떻게 정의할 수 있는지에 대해 여러 답변이 있을 수 있지만, 동역학은 가속도 a가 존재하는 상태를 다루는 학문이라 정의할 수 있습니다. 일반적으로 정역학은 정적, 즉 멈춰있는 상태 혹은 멈춘 것으로 간주할 수 있는 일정한 속도로 움직이는 물체를 대상으로 힘의 분석을 수행합니다. 만약 물체에 가속도가 발생한다면 이를 어떤 상태로 정의할 수 있을까요?

 

가장 유명한 물리 법칙 중 하나인 뉴턴의 제 2 법칙 F = ma에 의해 가속도가 발생하면 물체의 질량에 따라 힘이 발생하고 이에 따른 움직임이 함께 수반됩니다. 그리고 이런 움직임이 발생하는 형태에 따라 회전운동, 병진운동, 가속운동, 감속운동과 같이 이를 정의할 수 있죠. 즉 다시말해 가속도가 발생하며 힘의 평형이 깨진 상태에 대해 해석하는 학문이 바로 동역학이라 할 수 있습니다.

 

 

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2. 동역학의 기본 개념으로 작용하는 뉴턴 3법칙

 

동역학에서 가장 중요한 원리로 작용하는 것은 바로 뉴턴 법칙인데요. 뉴턴의 3법칙은 아래와 같이 정의됩니다.

 

제 1 법칙 : 관성의 법칙

물체는 정지 상태에 있을 때 혹은 외부 힘이 작용하지 않을 때 현재 상태를 유지하려 하는 경향이 있음을 뜻합니다. 

 

제 2 법칙 : 가속도의 법칙

관성좌표계에서 물체는 힘이 작용하는 방향으로 가속되며 가속도의 크기는 힘의 크기에 비례하고, 질량의 크기에는 반비례합니다.

 

제 3 법칙: : 작용 반작용의 법칙

모든 외부 작용해는 크기가 같고 방향이 정반대인 반작용이 작용합니다.

 

아마 고등학교 물리시간에 한 번쯤은 들어보셨을 개념인데요. 이런 뉴턴의 3법칙은 동역학의 기초로써 작용하는만큼 이를 다시 리마인드 하는 것이 좋을 것 같아 소개드리게 되었습니다. 여기에 더해 알면 좋은 것은 거리, 속도, 가속도와 시간의 관계입니다. 미분을 공부하면서 많이 접하셨겠지만, 이 역시 다시 소개하면 거리를 시간에 대해 미분하면 속도가 나오고, 해당 과정을 다시 반복하면 가속도를 구할 수 있습니다. 즉 이는 반대로 말해 가속도를 시간에 대해 적분하면 속도를, 또 이를 반복하면 거리를 구할 수 있음을 의미합니다.

 

 

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이번 포스팅에서는 동역학에 대해 포스팅을 시작하게 된 계기와 학문의 기초로써 작용하는 뉴턴 3법칙에 대해 다뤄보았습니다. 다음 포스팅부터는 본격적으로 동역학 개념에 대해 집중적으로 다뤄보려 합니다. 많은 기대 부탁드립니다 :D