동역학
動力學 / Dynamics
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.
기계공학과의 주요 과목이며 주로 2학년 때 배운다.
Dynamics라는 말은 고대 그리스어 δύναμις(Dynamis, 듀나미스)에서 본뜬 말로, 동력이나 의지와 같은 뜻에서 유래했다. 아리스토텔레스는 '가능태'라는 개념으로 듀나미스를 중요하게 생각했다.
2. 명칭에 대해서
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 상관관계(즉 수학적 운동론)에 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 '''기계공학'''에서 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 역학과 해밀턴 역학이 주 내용인 반면, 공대 동역학에선 저런 거 안 다룬다. 보통 미분방정식을 표현해 현상을 풀이한다는 점에 천착해 사회 분과에서도 사회상의 동역학 등등으로 사용하는 경우가 많은데, 이때는 동학이라는 명칭 역시 많이 쓰인다.
3. 용도
기계공학, 자동차공학, 항공우주공학 등에서 다룬다. 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]
의외로 역사가 오래 된 과목으로, 한국전쟁 시기에 나온 책으로 공부해도 크게 다르지 않을 정도로 이론 정립이 예전에 끝났다. 물론 21세기에는 올컬러 교재가 많이 나오고 있어서 가독성이 눈에 띄게 향상되었다.
4. 여담
동역학에서 다루는 운동은 고등학교에서 풀던 물리 문제보다 훨씬 어렵기 마련인데, 첫 번째 이유는 고등학교 때는 그냥 공식으로만 풀었던 동역학을 직접 '''미분방정식'''을 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 장동을 기술하는건.. 쉽지않다.
일반물리학을 수강했다면 질점계의 동역학 및 동역학의 심화내용인 자이로스코프 등을 제외하면 다 배웠던 내용이고 질점의 동역학의 경우에는 고등학교 물리에서 배웠던 내용에서 벗어나지 않는다. 즉, F=ma, 에너지보존, 운동량 보존, 운동량 충격량의 법칙, 충돌계수만 알고 있다면 사실상 동역학을 다 아는 것과 다름없다! 그럼에도 동역학이 어려운 이유는 좀 더 다양한 상황을 주고 값을 구하라고 요구하기 때문.
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.
동'''력'''학이라고도 한다. 하위 동역학들로는 강체동역학, 연체동역학, 기체동역학, 유체동역학, 액체동역학, 분자동역학, 공기역학, 기상동역학, 심지어 차량동역학과 비행동역학이라는 것까지 별의 별 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.