Geometry & Recognition

지상에서 포물선 운동을 하는 물체의 속도 벡터를  모두 모아 시작을 같게 만들면 속도 벡터의 끝이 그리는 자취(hodograph라 함)는 직선이 된다. 이는 속도의 차이가 가속도이고 지상에서 중력가속도는 크기와 방향이 일정하기 때문이다.

$$\vec {v}(t) =\vec {v}_0 - g\hat {j} t$$

태양계에서 행성은 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도상에서 움직인다. 그러면 행성의 각 지점에서 속도 벡터의 시작점을 한 지점에 모을 때 벡터의 끝점이 그리는 궤적은 무엇일까? 원 궤도를 그리면 속력이 일정하므로 당연히 원이 될 것으로 예상할 수 있지만,  타원 궤도에서는 속력은 에너지 보존을 고려하면 일정할 수 없다. 그런데 타원궤도를 그리는 경우에도 속도의 hodograph는 원궤도에서와 마찬가지로 벡터 공간에서 원으로 표현된다. 왜 그럴까?

행성이 받는 중력은 태양으로부터 거리의 제곱에 반비례하므로 운동방정식을 사용하면 속도의 변화량의 크기는

$$ \frac {d\vec {v}}{dt}= -\frac {GM}{r^2 }\hat {r} \quad \rightarrow\quad |\Delta \vec {v}| =\frac {GM}{r^2} \Delta t$$

임을 얻을 수 있다. 또한  태양의 중력이 중심력이므로 각운동량 보존(또는 Kepler의 제 2법칙)된다는 사실에서 마찬가지로 속도 변화량의 크기에 대한 식(각도 $\varphi$는 태양을 원점으로 하여 측정한다)

$$ L =m |\vec{r}\times \vec {v}| = m r^2 \frac {d\varphi}{dt}  \quad\rightarrow\quad \Delta\varphi =\frac {L}{mr^2}\Delta t$$을 얻을 수 있다. 두 식에서 $\Delta t / r^2$을 소거하면,

$$ |\Delta \vec{v}| = \frac {GMm}{L} \Delta \varphi$$이고, 각운동량 크기가 일정하므로 속도의 증가량의 크기가 회전각의 증가에 비례함을 보여준다. 이는 태양을 중심으로 행성 궤도를 일정한 각크기로 나눌 때 각 인접 지점과의 속도차의 크기가 항상 일정함을 의미한다. 기하학적으로는 일정한 각도차가 있는 궤도상의 각 지점에서 속도 벡터를 가져와서 시작을 (벡터 공간의) 한 지점에 모으면 벡터의 머리가 일정하게 변함을 의미하고, 이는 벡터의 머리가  반지름이 일정한($GMm/L$)인 원주상에 있을 때만 가능한 관계이다. (주의: 벡터 공간에서 벡터의 시작점이 각을 재는 원점이 아니다. 왜냐하면 원과 달리 타원에서는 위치와 속도 벡터는 서로 직교하지 않는다.) hodograph의 반지름은 근일점에서 속력 $v_P$와 원일점에서 속력 $v_A$의 절반임으로 표현되는데 $v_R = (v_A + v_P)/2 = \frac {GMm}{L}$임을 근일점, 원일점에서 역학적 에너지 보존과 각운동량 보존식을  이용해서 확인할 수 있다.

설명 동영상:

youtu.be/xdIjYBtnvZU

태양계의 행성 운동에서 각운동량은 보존이 된다(Kepler의 제2법칙). 이는 태양이 행성에 작용하는 힘인 만유인력이 중심력의 형태를 띠고 있기 때문이다. 식으로는 태양에서 행성까지 위치 벡터를 $\vec {r}$이라면 태양이 행성에 작용하는 만유인력은 $\vec {F} = \frac {GMm}{r^3}\vec {r}$로 쓸 수 있으므로 만유인력이 만드는 토크가 $\vec {\tau} = \vec {r}\times \vec {F}=0$임을 쉽게 알 수 있다. 따라서 각운동량 보존은 자명해진다.

만약 행성의 위치를 재는 원점을 태양이 아니라 다른 지점으로 잡으면 어떻게 될까? 이 경우 만유인력의 방향과 위치 벡터의 방향이 나란하지 않으므로 토크가 0이 안된다. 그럼 각운동량은 원점을 어디로 잡는가에 따라 보존되기도 하고 안되기도 하는 물리량일까? 무엇을 놓치고 있는 것일까?

사람이 걷는 동작은 복잡하지만 몇 가지 가정을 하면 단순한 강체의 운동으로 근사를 할 수 있다. 우선 사람이 걷는 동안 항상 한 발은 땅을 딛고 있다. 그리고 땅을 딛고 있는 발을 기준으로 몸의 질량중심은 원호를 그리면서 거의 일정한 속도로 움직이게 된다. 사람을 질량중심에 모든 질량이 뭉친 점으로 근사를 하면 걷는 동작은 거의 질량이 없는 막대(다리: 길이=$L$)에 매달린 역진자(inverted pendulum) 운동과 비슷하다고 볼 수 있다. 또한 원호를 따라 중심이 이동하는 속력은 거의 일정하다고 근사할 수 있다.

이 경우에 질량중심은 등속 원운동을 한다고 볼 수 있고, 뉴턴의 제2법칙에 의해서 질량중심에서 발 쪽을 향하는 힘 성분이 구심력 역할을 한다. 구심력 역학을 할 수 있는 힘은 중력, 수직항력, 그리고 마찰력이 있다.

수직에서 $\theta$만큼 기울어졌을 때 등속원운동의 가속도 벡터는

$$ \vec{a} =\frac{V^2}{L} (-\sin \theta \hat{x} -\cos \theta \hat{y})$$

이고,  운동 방정식의 수식 성분을 보면 중력과 수직항력이 기여하므로

$$ \sum F_y = N - mg = m a_y = -\frac{m V^2}{L} \cos \theta $$

움직이는 속력이 너무 빠르면 달리는 동작이 되고, 이 경우 양발이 땅에서 떨어지게 된다. 발이 땅에서 떨어지지 않으려면  수직항력 $N\ge0$인 조건을 만족하도록 걷는 속력을 조절해야 한다. 

$$N \ge  0 \quad \rightarrow  \quad V \le  \sqrt{\frac{gL }{\cos \theta}}$$

원호를 그리며 움직이는 동안 이 관계가 성립해야 하므로 걷기가 가능한 최대속력은:

$$V_\text{max} = \sqrt{gL}$$

사람을 너무 단순화시킨 감은 있지만 왜 다리가 긴 사람이 더 빨리 걸을 수 있는지를 물리 법칙으로 추정할 수 있다는 것을 보여준다. 사람을 좀 더 복잡한 강체로 근사하더라도 $\sqrt{gL}$ 앞의 factor만 바뀔 것이다.  사람이 걷는 동안 땅을 딛지 않는 발은 약간 구부러진 상태로 엉덩이를 축으로 일종의 물리진자처럼 행동하는데 이를 이용해도 역시 같은 추정치를 얻을 수 있다.

다리 길이가 $L=1\text{m}$이면,  $V_\text{max}= \sqrt{(1 \text{m}) \times (9.8\text{m/s}^2)} = 3.13\text{m/s}=11.3\text{km/h}$. 경보 세계기록이 대략 $15\text{km/h}$이므로 합리적인 추정이 된다.

youtu.be/HypJY1XWkWY