질점의 운동역학

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1. 질점의 속도2. 방향벡터의 도함수3. 질점의 가속도

1. 질점의 속도[편집]

이 문서의 내용을 이해하기 위해서는 벡터에 대한 기본적인 지식이 필요하다. 벡터 문서 참조.
.
파일:곡선.png
어떤 시각 t t 에 입자가 A점으로부터 출발하여
시각 t+Δ t t+\Delta\ t 에 B점에 도달하는 정보를 담은 그림이다.

먼저 목적은 입자의 속도를 구하는 것이다.
입자의 위치벡터 r \mathbf r 은 원점으로부터의 거리 r r 와 단위벡터 ur u_r 를 갖는다.
r=rur\displaystyle \mathbf{r}=r\mathbf{u}_r
벡터는 특별히 볼드체로 표기하였음을 명심하자! r \bf r 은 벡터이고 r r 은 스칼라이다.)

극좌표를 사용하면 모든 단위벡터는 다음과 같이 표현 가능하다.
ur(θ)=cos⁡θ i^+sin⁡θ j^ \displaystyle \mathbf{u}_r( \theta ) = \cos \theta \, \hat{\mathbf{ i }}+ \sin \theta \, \hat{\mathbf j}

벡터 r(t)\mathbf{r}(t)와 r(t+Δt)\mathbf{r}(t+\Delta t)를 나타내면
r(t)=rcos⁡θ i^+rsin⁡θ j^\displaystyle \mathbf{r}(t)=r \cos \theta \, \hat{\mathbf i} + r \sin \theta \, \hat{\mathbf j}
r(t+Δt)=(r+Δr)cos⁡(θ+Δθ)i^+(r+Δr)sin⁡(θ+Δθ)j^ \displaystyle \mathbf{r} (t+\Delta t) =\\ (r+\Delta r) \cos( \theta + \Delta \theta) \hat{\mathbf{i }}+ (r+\Delta r) \sin( \theta + \Delta \theta) \hat{\mathbf{j }}

이제 입자의 속도를 구해보자.
v=r(t+Δ t)−r(t)Δt\displaystyle \mathbf{v} = \frac{\mathbf{r}(t+ \Delta\ t) - \mathbf{r}(t)}{\Delta t} 에서

매우 짧은 시간 간격 Δ t≈0\Delta\ t \approx 0에 대하여
매우 짧은 각의 변화 Δ θ≈0\Delta\ \theta\approx 0 으로 취급할 수 있고,

삼각함수의 성질
sin⁡(θ+Δθ)=sin⁡θcos⁡Δθ+cos⁡θsin⁡Δθ \displaystyle \sin( \theta + \Delta \theta ) =\sin\theta \cos\Delta\theta + \cos\theta \sin\Delta\theta
cos⁡(θ+Δθ)=cos⁡θcos⁡Δθ−sin⁡θsin⁡Δθ \displaystyle \cos( \theta + \Delta \theta ) =\cos\theta \cos\Delta\theta - \sin\theta \sin\Delta\theta
을 이용하여

lim⁡Δt→0r(t+Δ t)−r(t)Δt {\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0}} \dfrac{\mathbf{r}(t+ \Delta\ t) - \mathbf{r}(t)}{\Delta t} 를 i^, j^ \bf \hat i , \, \hat j 성분끼리 정리하면

i^ \bf \hat i 성분 :
lim⁡Δt→0r(cos⁡θcos⁡Δθ−sin⁡θsin⁡Δθ)+Δr(cos⁡θcos⁡Δθ−sin⁡θsin⁡Δθ)−rcos⁡θΔt{\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0}} \dfrac{r(\cos \theta \cos\Delta\theta - \sin\theta \sin\Delta\theta)+\Delta r(\cos\theta \cos\Delta\theta - \sin\theta \sin\Delta\theta) -r \cos \theta}{\Delta t}
j^\bf \hat j 성분 :
lim⁡Δt→0r(sin⁡θcos⁡Δθ+cos⁡θsin⁡Δθ)+Δr(sin⁡θcos⁡Δθ+cos⁡θsin⁡Δθ)−rsin⁡θΔt{\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0}} \dfrac{r(\sin\theta \cos\Delta\theta + \cos\theta \sin\Delta\theta)+\Delta r(\sin\theta \cos\Delta\theta + \cos\theta \sin\Delta\theta) -r \sin \theta}{\Delta t}

여기서 sin⁡Δθ≈Δθ,cos⁡Δθ≈1 \sin \Delta\theta \approx \Delta\theta , \cos \Delta\theta \approx 1 를 이용하여 다시 간단히 하면

i^ \bf \hat i 성분 :
lim⁡Δt→0r(cos⁡θ−sin⁡θΔθ)+Δr(cos⁡θ−sin⁡θΔθ)−rcos⁡θΔt=lim⁡Δt→0(Δrcos⁡θΔt−(r−Δr)sin⁡θΔθΔt)\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0} \dfrac{r(\cos\theta - \sin\theta \Delta\theta)+\Delta r(\cos\theta - \sin\theta \Delta\theta) -r \cos \theta}{\Delta t} = {\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0}} (\dfrac{\Delta r \cos \theta}{\Delta t} - \frac{(r-\Delta r) \sin \theta\Delta\theta}{\Delta t} )
j^ \bf \hat j 성분 :
lim⁡Δt→0r(sin⁡θ+cos⁡θΔθ)+Δr(sin⁡θ+cos⁡θΔθ)−rsin⁡θΔt=lim⁡Δt→0(Δrsin⁡θΔt+(r+Δr)cos⁡θΔθΔt)\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0} \dfrac{r(\sin\theta + \cos\theta \Delta\theta)+\Delta r(\sin\theta + \cos\theta \Delta\theta) -r \sin\theta}{\Delta t} = {\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0}} (\dfrac{\Delta r \sin \theta}{\Delta t} + \frac{(r+\Delta r) \cos \theta \Delta\theta}{\Delta t} )
매우 짧은 시간 간격 Δ t≈0\Delta\ t \approx 0에 대하여
매우 짧은 거리 변화 Δ r≈0\Delta\ r \approx 0일 것이므로

i^ \bf \hat i 성분 :
lim⁡Δt→0(Δrcos⁡θΔt−rsin⁡θΔθΔt) \displaystyle \lim_{\Delta t\to 0} (\dfrac{\Delta r \cos \theta}{\Delta t} - \dfrac{r \sin \theta\Delta\theta}{\Delta t} )
j^ \bf \hat j 성분 :
lim⁡Δt→0(Δrsin⁡θΔt+rcos⁡θΔθΔt) {\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0}} (\dfrac{\Delta r \sin \theta}{\Delta t} + \dfrac{r \cos \theta\Delta\theta}{\Delta t} )

lim⁡Δt→0ΔrΔt=drdt {\displaystyle \lim_{\Delta t\to 0}} \dfrac{\Delta \mathrm r}{\Delta t} = \dfrac{\mathrm{d} \mathbf{r}}{\mathrm{d} t} 를 반지름 방향 속도 r˙=v \bf \dot{r} = v 라 정의하고
lim⁡Δt→0ΔθΔt=dθdt \displaystyle \lim_{\Delta t\to 0} \dfrac{\Delta\theta}{\Delta t} = \dfrac{\mathrm{d} \theta }{\mathrm{d} t}를 각속도 θ˙=ω \dot \theta = \omega 라 정의하면

v=lim⁡Δt→0r(t+Δt)−r(t)Δt=(r˙cos⁡θ−rωsin⁡θ)i^+(r˙sin⁡θ+rωcos⁡θ)j^ \mathbf {v} = \displaystyle \lim_{\Delta t \to 0} \dfrac{ \mathbf{r} (t+ \Delta t) - \mathbf{r} (t)}{\Delta t} = \\ ( \dot{r} \cos \theta - r \omega \sin \theta ) \hat{\mathbf i} + ( \dot{r} \sin \theta + r \omega \cos \theta ) \mathbf{ \hat {j}} 를 얻으며,

만약 각속도 벡터 ω⃗=ωk \vec{\omega} = \omega \mathbf{k} 를 정의하면
최종적으로 식 v=r˙ur+ω×r \bf v = \dot{r} u_\mathit{r} + \omega \times r 가 성립한다. [1]

2. 방향벡터의 도함수[편집]

식1 의 v v = = r˙ \dot{r} ur+ω× u_r + \omega \times r r 를 잘 보자,
이는 r r = = r r ur u_r 의 양변을 시간에 대해 미분한 것과 같다.
미분 해 보면,r˙ \dot{r} = = v v = = r˙ \dot{r} ur+ u_r + r r u˙r \dot{u}_r
이는 목차 1에서 구한 v v = = r˙ \dot{r} ur+ω× u_r + \omega \times r r 와 같아야 하므로 다음이 성립한다.
r r u˙r=ω× \dot{u}_r = \omega \times r r
양 변을 r r 로 나누어 더 간단히 정리하면

u˙r=ω×ur \dot{u}_r = \omega \times u_r [2]

3. 질점의 가속도[편집]

정의에 따라 식 1을 v v = = r˙ \dot{r} ur+ω× u_r + \omega \times r r 를 시간에 대해 미분하기만 하면

v˙ \dot{v} = = a a = = r¨ \ddot{r} ur+ u_r + r˙ \dot{r} ur˙+ \dot{u_r} + ω˙× \dot{\omega} \times r r + + ω× \omega \times r˙ \dot{r} 여기서 식 1과 2에 의해

r˙ \dot{r} = = r˙ \dot{r} ur+ω× u_r + \omega \times r r 와
ur˙=ω×ur \dot{u_r} = \omega \times u_r 가 성립하므로

a a = = r¨ \ddot{r} ur+ u_r + r˙ \dot{r} ω×ur+ \omega \times u_r + ω˙× \dot{\omega} \times r r + + ω× \omega \times ( {( } r˙ \dot{r} ur+ω× u_r + \omega \times r r ) {)} 괄호 항을 전개하여 정리하면 최종적으로

a a = = r¨ \ddot{r} ur+2 u_r + 2 r˙ \dot{r} ω×ur+ \omega \times u_r + ω˙× \dot{\omega} \times r r + + ω×( \omega \times {( } ω× \omega \times r r ) {)} [3]

식 3의 2 2 r˙ \dot{r} ω×ur \omega \times u_r 을 코리올리 가속도라고 하며, 자세한 건 전향력 문서 참조.
[1] 식1[2] 식2[3] 식 3