동역학

動力學 / Dynamics Labour

1 개요

고전역학의 한 분야로 물체 사이에 작용하는 힘이 물체의 운동에 미치는 영향을 다룬다. 움직임 전반에 대해서 다루는 학문이기 때문에 운동학(움직이는 물체)과 정역학(움직이지 않는 물체)을 합친 결과물로 볼 수도 있다.

2 상세

우선 영어 표현에서 역학 혹은 비슷한 단어를 가르치는 용어로는 'Mechanics', 'Statics', 'Kinematics', 'Kinetics', 'Dynamics' 등이 있다. 'Mechanics'는 전반적인 '역학'을 가리키는 용어이며, Statics는 정지한(혹은 등속도로 움직이는) 물체에 대한 학문 즉 '정역학'을 가리킨다. 'Kinematics'와 'Kinetics'는 물리학 용어집#에 의하면 모두 '운동학'으로 번역되나, 전자는 운동의 원인과 관계없이 물체의 변위, 속도, 가속도 간의 상관관계에 대한 것이고, 후자는 힘이 운동에 어떻게 영향을 미치는 것인지에 대해 다루는 것이다(보통 한국어 공대 교재에선 후자를 '운동역학'이라고 한다). 그리고 동역학(Dynamics)이 바로 Kinematics와 Kinetics의 결합이라고 볼 수 있다. 쉽게 생각해서, 고등학교 물리1, 물리2의 역학의 상위호환 정도라고 생각하면 된다. 일반적으로 대학교에서, '동역학'이라는 명칭은 물리학보다는 기계공학에서 많이 쓰게 되며, 분과학문으로 다루는 것도 이쪽. 여기에서는 각종 복잡한 형태의 구조로 이루어진 역학 문제를 빠르고 간편하게 푸는 것에 초점을 맞춘다. 또 다른 차이점으로 물리학과에서는 라그랑주 역학해밀턴 역학이 주 내용인 반면, 공대 동역학에선 저런 거 안 다룬다. 안심하자

3 용도

기계공학 항목에서도 보다시피, 'Mechanical Engineering'의 'Mechanical'은 원래 '기계'의 의미라기보다 역학이라는 뜻을 두고 있으며, 당연히 그 하위 분야인 Dynamics에 대해서 다루게 된다. 바퀴가 굴러가고, 축이 회전하고, 베어링이 굴러가고, 하는 식으로 사람들이 상상할 수 있는 거의 모든 기계는 운동을 하기 때문이다. 쉬운 예로 포물선 운동의 경우 (던지는 시점에서의 운동에너지+위치에너지)=(최고지점 위치에너지)=(착지점에서의 운동에너지)로 놓고 정확하게 계산하는 경우가 있고, 오일러의 수치해석법에 의해 수치적으로 계산하는 경우가 있다. 또한 자동차 바퀴나 자이로스코프, 혹은 모터/로터 같이 회전관성을 가지게 되는 물체들에 대한 분석도 필수적이다.

현대의 기계는 매우 복잡한 메커니즘으로 돌아가는데, 그 구동 과정에서 필연적으로 진동이 발생하게 된다. 이를 분석하고 제어하기 위해서 동역학의 심화 버전인 기계진동학을 배우게 된다.[1]

4 여담

아! 동역학 위치전환기!

동역학에서 다루는 운동은 고등학교에서 풀던 물리 문제보다 훨씬 어렵기 마련인데, 첫 번째 이유는 우리가 고등학교 때는 그냥 공식으로만 풀었던 동역학을 직접 미분방정식을 세우고 풀어야 하기 때문이고, 두 번째 이유는 각운동량 때문이다. 전자는 공업수학(특히 미분방정식)을 제대로 공부해야 되는 이유 중의 하나이다. 후자는 고등학교 교과과정에 없던 아예 새로운 개념이기도 하고 정량적으로 풀기도 어렵기 때문에 많은 학생들이 힘들어 한다. 특히나 팽이의 장동기술하려면... 어차피 물리과나 기계과나 똑같이 웬만한 수학하는 놈들이 아닌 이상 강체는 거지같이 어렵다.

복잡한, 혹은 다수의 움직임이나 여러 기계장치가 뒤섞여 움직이는 경우는 사람의 손으로 수식을 푸는 데 한계가 있으므로 대개 컴퓨터의 도움을 받는다. 초창기 컴퓨터인 에니악 역시 포탄의 움직임을 계산하는 일종의 동역학 계산용으로 만들어진 물건이다.

이러한 동역학 계산 프로그램을 단순화하여 게임용으로 개발한 것이 물리엔진 이다. 공학용처럼 복잡하게 만들면 계산에만 엄청 시간이 걸리기 때문에 실시간으로 돌아가는 게임에선 써먹을 수가 없다. 이 경우에는 계산 속도를 빠르게 하면서도 그럴싸한 움직임을 만들어내야 하는것이 관건.

학이라고도 한다. 하위 동역학들로는 강체동역학, 연체동역학, 기체동역학, 유체동역학, 액체동역학, 분자동역학, 공기역학, 기상동역학, 심지어 차량동역학과 비행동역학이라는 것까지(...) 별의별 게 다 있다. 여담 중의 여담이지만, 같은 'Dynamics'란 단어를 쓰는 학문 중에 역동학(...)이라는 것이 있는데, 이것은 지그문트 프로이트로 대표되는 정신역학(Psychodynamics)의 다른 말로서, 동역학과는 하등 관계없는 학문이다.

5 배우는 내용

6 동역학을 연구한 과학자 일람

그 외의 무수한 물리학자들이 동역학을 연구했다고 보면 된다. 사실 물리학이라는 학문 자체가 동역학을 다루는 파트는 매우매우매우 심오한지라(...).
  1. 물론 그 원리는 본질적으로 동역학에 있긴 하다. 동역학 책 맨 끝에 기계진동학을 짤막하게 소개하기도 한다.
  2. 프랑스 태생의 수학자·물리학자·철학자로 《역학론》으로 현대 역학의 기초를 닦은 사람이다. 달랑베르의 원리를 발표한 사람이기도 하다.