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고전역학 Classical Mechanics |
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1. 개요
天體力學 / Celestial mechanics, Orbital mechanics, Astrodynamics[1]천체의 운행을 분석하는 학문. 물리학과는 관계가 다소 미묘하며, 보편 분류상으로도 물리학이 아닌 천문학의 하위분야이다.
2. 역사
그 기원은 요하네스 케플러로부터 시작되며, 그가 발견한 케플러의 법칙이 천체역학의 A to Z라고 볼 수 있다. 이후 아이작 뉴턴에 의해 수학적, 물리학적 요소가 가미 되어 현재에 이른다.현대에는 천체역학이라는 이름 탓에 역학으로부터 떨어져나온 분야라고 생각하기 쉽지만 이 학문이 바로 역학의 직접적인 부모로, 천체역학이 역학으로부터 태어난 것이 아니라 천체역학으로부터 역학이 태어난 특이한 경우이다.[2] 실제로 역학을 배울때 케플러의 법칙이 커리큘럼에 들어가 있으며, 뉴턴 역학도 사실 천체의 운행을 설명하기 위해 태어나게 된 것으로 유명하다. 흔히들 뉴턴이 물리학자, 수학자 등등 이라고 알고 있지만 이 수학, 물리학 업적이 전부 천문학을 위해 이루어졌다는 놀라운 사실. 비유하자면 제빵사가 빵을 만들기 위해서 오븐을 만드는 수준. 물리학과의 관계가 미묘한 이유는 바로 위의 이유 때문.
천체물리학의 하위 분야로 인식되기도 쉬운데 천체물리학은 천체를 물리적으로 해석하는 학문이고 천체역학은 천체의 운행을 다루는 학문으로 서로 연관성이 있긴 하지만 별개이다. 애초에 탄생 시기가 300년 정도 차이가 나는데, 천체역학이 먼저 태어났다. 때문에 "천체물리학의 시작이 케플러이다!" 혹은 "천체역학은 천체물리학의 일부다!" 라고 하면 다소 묘하다.
3. 특성
천문학에서는 천체의 움직임을 바탕으로 천체의 질량을 구해내는 용도로 사용되는데, 그 오차 범위는 굉장히 정교하다. 경우에 따라서는 kg이 아닌 g단위까지 숫자가 내려가는 경우도 흔하다.항공우주공학 분야에서도 절찬리에 사용되며, 발사체의 궤도나 발사시기, 발사에 적합한 위치 등을 계산한다. 로켓덕후들이 일단 우주로 물건을 쏘고 나면 마주하는 2단계 보스(?)라고나 할까. 우주선 발사 시기, 귀환 일정, 스윙바이, 외부천체 도달 등의 여러 까다로운 스케줄은 이것으로 계산한다. 원리가 원리이니만큼 우주공학 전공자들 사이에 천문학 전공자들도 심심찮게 보이는 매우 드문 분야지만, 어쨌든 인공 물체의 궤도 연구는 로켓, 이온 엔진 등 추진기관의 문제로 인해 천문학 전공자들이 공학을 끌어오는 것이 아니라 우주공학 전공자들이 천문학을 끌어와서 쓰는 경우가 많다.
4. 학습
| NASA와 미 해군 우주사령부이 1989년경에 제작한 천체역학(궤도역학) 개론 영상[3] |
주요 전공서적으로는 미국공군사관학교에서 우주공학부를 창설한 로저 베이트 교수(준장 예편)가 1970년대(즉 우주왕복선보다 오래된 책이다!)에 저술한 Fundamentals of Astrodynamics(도버 출판사)가 있다. 이 책은 공학 전공자들이 인공위성 배우면서 많이 보는듯 하다. 베이트 교수는 작고하셨는데, 교과서 표지가 정말 멋있다. 아폴로 11호 미션 중 마이클 콜린스가 지구를 배경으로 컬럼비아에서 달로 향하는 이글을 촬영한 유명한 사진이다. 2015년에는 우주왕복선 미션의 사진으로 바뀐 개정판이 출간될 예정이었다가 어영부영 미뤄지더니 출간이 취소되어 전세계 학습자들에게 욕을 많이 먹었다. 하지만 원체 오래된 책이다보니 아폴로 버전은 지금은 어둠의 경로로도 손쉽게 구할 수 있다.(...)
대한민국 교과에서는 2018~2024년 고교 입학생 기준으로 물리학Ⅱ에서 처음 다룬다. 과거엔 지구과학Ⅰ, 물리학Ⅰ에서도 (위 유튜브 영상 내용 수준 정도로) 가볍게 다루었으나 학업 감축 지시 때문에 2018년부터 전량이 물리학Ⅱ로 쫓겨났다. 이는 고교생 100명 중 1명, 사실상 대중적으로 거의 접하지 않는다고 봐도 좋다. 2025년부터는 물리학Ⅱ마저 '역학과 에너지', '전자기와 양자'로 분리됨에 따라 선택 분산도가 늘어나 암울한 상황이다.
5. 관련 인물
6. 관련 문서
[1]
Astrodynamics에 대해 첨언하자면, 천체역학의 하위 분야지만 천문학이 아니라 항공우주공학의 분야다. 즉, 인공위성, 탐사선 등의 궤도를 계산하는 학문이다. 쉽게 말하자면
마이클 브라운 박사는 Celestial Mechanics 전문이고,
마션(영화)에 나오는 산만한 공돌이 리치 퍼넬은 Astrodynamics 전문이다. 어쨌든 원리는 같다 볼 수 있으나, 추진기관이라던지 기본적인 질량의 단위가 다르다던지 여러모로 차이점이 많다.
[2]
물론 특수한 경우로부터 일반적인 법칙을 도출해내는 과정 자체는 학문적으론 당연한 것으로, 아무런 하자가 없다.
[3]
30년이 넘은 영상이지만 꽤 우수한 평가를 받고 있는 교육 영상이다. 고교 물리학Ⅰ, Ⅱ 수준으로도 이해할 수 있다. 다만, SI 단위계가 아닌
미국 단위계가 나오고 한글 자막 없이 수학, 물리학 용어 때문에 중도 이탈이 많다는 게 흠이다.