Motion
1. 개요
물리학에서는 시간에 따라 물질의 위치 벡터가 변하는 것을 운동이라고 정의한다. 질량과 속도의 곱인 운동량이 운동을 대표하는 벡터 값이다.2. 역사
인류사에서 초기에는 '변화'라는 개념이 제시되었다. 다만 변화는 천체 운동이나 계절의 변화부터 꽃이 피고 지는 것까지 망라하는 포괄적인 설명을 위한 것이었다. 이러한 '변화'의 개념은 고대 인도의 베단타, 고대그리스의 탈레스, 고대 중국의 노자등 지리, 문화를 뛰어넘어서 인류에게서 일반적으로 발견된다.현대 물리학의 운동의 개념에 직접적인 선조격인 개념을 제시한 것은 고대 그리스의 아리스토텔레스이다. 그는 키네시스(Kinesis)라는 개념을 제시했는데, 아리스토텔레스 이전에 고대 그리스인들에게 키네시스는 미시적인 것부터 우주적인 변화를 포괄적으로 뜻하는 말이었다. 그것을 아리스토텔레스는 처음으로 뜻을 훨씬 좁혀서 쓰기 시작하는데,
1. 자연적 운동 : 사물에 내재된 목적(=성질)에 따라 일어나는 것. 예를 들어 자유낙하하는 물체는 낮은 곳으로 향하는 본성이 존재한다.
2. 인위적 운동 : 외적인 힘이 작용하여 일어나는 것. 예를 들어 시지푸스가 밀어서 움직이는 바위.
으로 구분했다. 하지만 아리스토텔레스는
성질이라는 개념에 꼳혀서, 운동을 수학적으로 표현한다는 발상에는 이르지 못했다. 그에게 수학적 재능이 없지 않았다는 것을 생각하면 아쉬운 일이다.2. 인위적 운동 : 외적인 힘이 작용하여 일어나는 것. 예를 들어 시지푸스가 밀어서 움직이는 바위.
한편 동시대의 그리스 수학자들은 기하학에서 탁월한 성과를 보였지만, 이것으로 운동을 표현한다는 발상에는 그들도 이르지 못하였다. 그들이 이러한 한계를 보인 것은 아직 수학을 현실에 대응되게 일치시켜야 한다는 강박과 믿음에 갇혀있었기 때문이다. 예를 들어 이들은 음수에 매우 부정적이었는데, 그런게 자연에 존재하지 않기 때문이다. 가령 우리는 1개의 사과를 본적은 있지만, -1개의 사과를 본 사람은 존재하지 않는다.
기하학으로 물체의 움직임을 표현한다는 발상은 데카르트가 발명했다. 일화에 따르면 그는 평소같이 늦잠을 오전 11시까지 즐기면서 천장에 날아다니는 파리를 좌표로 표시할 수 있을 것이라 생각했다 한다. 그리고는 함수를 동원해서 수학적으로 운동을 표현했다.
갈릴레오 갈릴레이는 처음으로 가속 = 속도의 변화라는 정의를 내렸다. 동시에 이를 수학적으로 표현했다. 다만 그는 이를 1차원으로 표현하는 것에 머물렀다. 이는 그의 가속도에 관한 연구는 자유낙하를 연구하는데 한정되어 있었기 때문이다. 하지만 얼마지나지 않아서 이를 바탕으로 뉴턴은 고전물리학의 벡터 개념을 발명한다.
기준계에 대한 물체의 상대적인 위치 변화가 운동이다. 우주에는 절대적인 기준계가 없으므로 운동은 상대적인 개념이다. 그러므로 미립자부터 천체까지 우주의 모든 것은 물체 외부의 기준계를 설정함에 따라 운동하고 있다고 간주할 수도 있다. 외부의 기준 없이는 운동이 존재할 수 없다는 이러한 특성을 마흐의 원리라고 부른다.
다만 엄밀히 말해서 운동의 절대적 기준계를 잡을 수 없다는 것은 우주의 국소적인 특성에 의거한 경험적인 결론일 뿐이다. 우주의 전역적인 기하학적 특성에 따라서는 운동의 절대적 기준계가 존재할 가능성이 있다.[1]
운동을 시간의 함수로 공간상에 나타낸 것을 궤적이라 부른다. 상대성 이론에선 운동의 궤적을 세계선이란 이름으로 부르기도 한다. 일반 상대성 이론에서 운동의 궤적은 측지선 개념을 통해 이해되고 있다. 양자역학에서는 하나의 궤적이 아니라 무수한 궤적을 통해 운동한다고 보며 이를 경로적분을 통해 표현한다.
3. 좌표계에 따른 구분
운동은 일단 일반적으로 초중고교 교육과정에서 다루는 물리학 파트 기준은 전부 2차원, 나아가 3차원 좌표계에서만 다루는데 사실 운동을 정의하려면 단순한 평면, 공간 좌표계에서만 다루는 것이 아닌, 극좌표, 구면좌표 등에서도 다루어야 한다. 일반적인 고전역학 수준에선 공간 좌표까지 거의 대부분을 설명할 수 있으나 전자기장 등과 같은 전자기학, 광학, 양자역학 등에선 극좌표와 구면 좌표계도 알아야 한다. 본 문서는 일반적인 고전역학에서 다루는 운동들을 서술할 것이다.4. 운동의 종류
운동에는 여러가지 종류가 있다. 크기와 방향 뿐만 아니라 회전, 관성, 진동 등을 포함한 운동들로 크게 묶을 수 있는데 자세한 건 다음 문단 참조.4.1. 병진운동
병진운동(Translational movement, 並 進 運 動)은 간단히 정의하면 물체가 상-하-좌-우로 평행하게 운동하는 것을 의미한다. 일단 쉽게 생각하면 다방면의 방향으로 움직이니 병진운동은 벡터값을 갖고 있어 변위만 달라지는 운동을 의미한다. 2차원 좌표계에선 [math(t)]축(시간축/가로축), [math(v)]축(속도축/세로축)의 변위만 달라진 것이다. 수학에선 ‘평행이동’이라고 칭하기도 한다.병진운동의 가장 큰 특징은 회전력이 0, 즉 존재하지 않다는 것이다. 이렇다는 건 곧 회전축이 없다는 것이고 회전축이 없다는 것은 병진운동을 하는 물체는 관성 모멘트의 작용점이 없다는 것이므로 계산하기가 ‘상대적으로’ 단순하다고 볼 수도 있다.
4.2. 회전운동
회전운동은 쉽게 정의하면 말 그대로 물체가 회전축을 중심으로 하는 회전하는 운동을 의미한다.4.3. 진동운동
4.4. 목록
기타 등등