1. 개요
물리학의 한 분야이며, 외부의 힘을 받는 물체의 운동 상태 또는 정지 상태를 예측하고 설명하는 자연 과학이다. 이러한 역학의 하위 분야는 크게 고전역학과 양자역학으로 나누어 볼 수 있다.
2. 역학의 종류
고전역학과 양자역학으로 구분되는데, 더 구체적으로 나누어보면 고전역학, 전자기학, 열역학, 양자역학인데 이를 4대 역학이라 부른다.
• 고전 역학 - 원자보다 크고 빛의 속도보다 매우 느리게 운동하는 물체 운동을 다룬다.
• 전자기학 - 전기와 자기, 그리고 그에 따른 장을 다룬다.
• 열역학 - 열, 온도, 일 및 다수의 입장에 대한 통계적 성질을 다룬다.
• 상대성 이론 - 빛의 속도와 비슷한 속력으로 움직이는 물체를 다룬다.
• 양자역학 - 미시 세계에서의 물질의 성질을 거시적인 측정값으로 연결하는 이론이다.
3. 역사
인류는 선사 시대부터 바퀴, 도르래, 지레, 빗면 등과 같은 단순한 기계를 사용해 왔다. 고대에 이르러 여러 문화에서 역학 지식을 이용하여 많은 기술들을 발전시켰는데, 아르키메데스 같은 학자는 나선양수기나 갈고리 같은 기계를 만들기도 했다.
12세기 아랍 과학자 알 하이삼은 광학을 연구하며 과학적 방법을 도입함으로 관찰이 기반이 된 과학 이론을 발전시켰다. 갈릴레오 갈릴레이는 수리 모형으로 물체 운동을 예측한다. 더 나아가 아이작 뉴턴이 마침내 고전 역학을 정립함으로 다양한 분야의 역학이 발전하게 된다.
20세기에는 고전역학으로 설명할 수 없는 현상을 해결하기 위한 상대성이론이나 양자역학 등이 만들어졌다.
4. 고전역학
뉴턴의 운동법칙을 바탕으로 한 뉴턴 역학으로부터 조제프 루이 라그랑주와 윌리엄 로언 해밀턴에 의해 발전되었다.
고전역학에서는 물체를 하나의 입자로 간주한다. 일정한 질량이 있는 물체에 어떤 힘이 가해졌을 때 변화하는 위치에 대해 수리 모형으로 예측한다. 뉴턴은 수리 모형을 기반으로 한 뉴턴의 운동 법칙을 기술하여 고전 역학을 완성하게 된다.
하지만 20세기 초에 들어오면서 해석이 안 되는 현상들이 나타나며 양자역학, 상대론적 양자역학의 등장으로 모든 세계를 다룰 수 있게 되었다.
1) 뉴턴의 운동 법칙
물체의 운동을 다루는 3가지의 물리 법칙이다.
• 관성의 법칙 - 물체(질량 중심)는 외부의 힘이 가해지지 않는 한 일정 속도로 움직인다.
• 가속도의 법칙- 운동량의 시간에 따른 변화율은 작용하는 크기와 방향에 있어서 알짜 힘과 같다. (F=ma)
• 작용과 반작용의 법칙 - 물체 1이 다른 물체 2에 힘을 가하면, 물체 2는 물체 1과 크기가 같지만, 방향이 반대인 힘을 동시에 낸다.
2) 동역학
유체역학, 열역학, 고체 역학, 동역학 곧 4대 역학 중 하나로 물체의 운동과 물체와 물체 사이에 작용하는 힘을 연구하는 학문으로 물리학보다는 기계공학에서 주로 쓰인다. 과거와 달리 현대의 기계는 구동 과정에서 진동이 발생하는데 이것을 제어하고 분석하기 위한 동역학과 기계진동학이 있다. 갈릴레오 갈릴레이, 크리스티안 하위헌스, 아이작 뉴턴, 고트프리트 빌헬름 라이프니츠, 막스 플랑크, 레온하르트 오일러, 알베르트 아인슈타인, 헨리 캐번디시 등이 동역학을 연구한 학자들이다.
a.정역학
관성이 없는 정지 물체에 작용하는 힘과 변형을 연구하는 학문이며 동역학과 관련이 깊다.
b.운동학
동역학의 하위 분야로 다뤄지는 경우 운동 기하학이라고도 한다. 물체나 입자 또는 다수의 물체가 모여서 만들어지는 계의 운동을 다루는 학문으로 운동의 양상만 다루며 원인에 대해서는 다루지 않는다.
운동학은 물체 이동을 입자의 선이나 궤적 등으로 나타내는데 물체의 이동 시 나타나는 속력이나 가속도 등을 기하학적으로 나타낸다. 운동학이 쓰여지는 곳은 천체물리학에서는 천체 움직임을, 생체역학에서는 골격의 움직임을, 기계공학에서는 로봇공학에서 로봇팔의 움직임을 설계하거나 부품의 움직임을 예측하는 일을 설명한다.
3)해석 역학
1788년 프랑스의 과학자 라그랑주는 해석역학을 발표하여 라그랑주 역학을 수립하고 1833년 아일랜드의 해밀턴은 고전 역학의 계를 위상 공간으로 나타내는 해밀턴 역학을 정리했다.
4)이외에도 강체 역학, 연속체 역학이 있다.
5.상대론적 역학
고전 역학은 빛의 속력과 가까운 물체에 대해서는 통용되지 않는다. 전자기장에 놓여 있는 전저의 운동 에너지가 4배가 될 때 전자의 속력은 빛의 속력의 1.98배가 되어야 하지만 실체 속력은 0.99배로 빛의 속력보다는 작게 측정된다. 아인슈타인은 상대성 이론을 수립함으로 시공간 자체가 절대적이지 않다는 이론으로 고전 역학의 모순을 해결하게 된다. 이로 인해 현대 물리학은 모든 속력 범위에 대한 물체의 운동을 예측하게 되었다. 뉴턴 역학은 상대성 이론의 특수한 경우로서 상대성 이론의 수리 모형에서 물체의 속력이 느린 경우 뉴턴 역학 식으로 바뀐다.
1)특수 상대성 이론
아인슈타인은 1905년 ‘움직이는 물체의 전기역학에 대하여’를 발표한다. 이 논문에서 서로 다른 속력의 물체와 관찰자 사이의 상대적인 운동에 대한 새로운 이론을 제시하였고 시공간의 변수가 서로 결합된 4차원 벡터의 시공간으로 다루어진다. 질량이 없는 입자를 내는 물체(빛과 같은)와 관찰자가 어떤 상대 운동을 하던지 간에 빛의 속력은 늘 일정하다는 것을 밝힌다. 이에 따라 서로 다른 관성계에 놓여있는 물체와 관찰자 사이의 시간, 거리 등의 측정값은 속력에 따라 변할 수 있음을 나타내게 된다.
이후에 이러한 예측은 정밀한 실험을 통해 증명되었다.
2)일반 상대성 이론
1915년에 발표한 것으로 특수 상대성 이론에 중력을 포함시켜 일반화 한 것으로, 중력을 시공간의 곡률로 해석했다. 관찰자 입장에서는 시공간 자체가 줄어들거나 늘어나는 것처럼 보인다. 이를 바탕으로 중력 렌즈 현상을 예측하고, 아서 에딩턴은 1915년 5월 29일에 개기일식을 관측하며 확인한다.
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