역학 ()
내용 요약
역학은 물체의 운동에 관한 법칙을 연구하는 학문이다. 좁은 의미의 역학은 속도나 가속도에 질량이 곱해진 양을 다루는 학문으로 운동량과 힘을 다룬다. 통상적으로 쓰이는 넓은 의미의 역학은 운동학을 포함하여 힘에 관한 전반적인 성질을 다루는 학문이다. 역학의 체계는 운동의 유무, 운동의 차이, 힘이 작용하는 대상 및 힘의 종류를 고려해 분류해야 한다. 우리나라의 역학에 관한 자료로는 조선 선조 때 장현광이 편찬한 『역학도설』을 들 수 있다. 19세기 말부터 우리나라에 근대적 물리학이 도입되어 많은 분야에서 역학적 계산들이 가능하게 되었다.
정의
물체의 운동에 관한 법칙을 연구하는 학문.
내용
힘의 개념은 물체의 운동과 밀접한 관련이 있어 운동을 다루는 운동학과도 연관성이 있다. 주1은 영어로 kinematics라고 하는데 물체의 속도나 주2를 다룬다. 이 중에서 가속도의 개념은 힘의 정의와 직결되어 있으며, 가속도와 힘을 연결시켜 주는 개념이 질량이다.
좁은 의미의 역학은 속도나 가속도에 질량이 곱해진 양을 다루는 학문으로 정의할 수 있는데, 이는 곧 운동량과 힘을 다루는 학문을 의미하며 영어로는 dynamics라고 한다. 그러나 통상적으로 쓰이는 넓은 의미의 역학은 mechanics라고 불리며 운동학을 포함하여 힘에 관한 전반적인 성질을 다루는 학문으로 받아들여지고 있다.
역학의 체계를 분류하려면 운동의 유무, 운동의 차이, 힘이 작용하는 대상 및 힘의 종류를 고려해야 한다. 운동의 유무에 따라서는 동력학과 정력학으로, 운동 속도의 차이에 따라 뉴턴 주3과 상대론적 주4으로 나눌 수 있으며, 힘이 작용하는 대상에 따라서는 주5 · 주6 · 주7 · 탄성체역학 · 주8 · 주9 · 주10 등으로 분류할 수 있다.
한편 근본적인 힘의 종류는 주11 · 주12 · 약작용힘 · 강작용힘의 네 가지가 존재하므로 이들에 대응되는 역학적 체계를 생각할 수도 있다.
우리나라에 근대적 물리학이 도입되기 이전에 있었던 역학에 관한 자료로는 조선 선조 때 장현광(張顯光)이 편찬한 『역학도설(力學圖說)』을 들 수 있는데, 힘에 관한 성질을 연구하여 삶에 응용하였던 예는 선사시대로부터 매우 폭넓게 열거할 수 있다.
대략 응용의 대상을 고체 · 액체 · 기체로 분류하여 몇 가지씩 대표적인 것들만 들어보면 다음과 같다. 먼저 고체의 경우 선사시대의 고인돌을 들 수 있다. 우리나라에는 3만여기 이상의 고인돌이 분포하고 있는데, 이들 중 아주 큰 것은 100ｔ이 넘는 것도 있다.
이렇게 무거운 돌을 채취하고 정해진 장소까지 운반하려면 적어도 힘의 분산에 관한 기본적 지식 없이는 불가능하였을 것이다. 돌을 이용한 탑 쌓기나 성곽의 축조에도 역학적 지식들이 사용되었으며, 이러한 지식들은 복잡한 구조의 건축물 축조에 그대로 응용되었다. 한편 칼이나 창, 화살과 같은 무기나 농기구와 같은 도구들의 제작에 있어서도 힘의 효과적인 작용을 고려한 형태들이 고안되었으며, 이러한 다양한 형태들은 박물관에 전시된 유물들에서 찾아볼 수 있다.
액체에 관한 응용으로는 물과 관련된 구조물들이 가장 대표적인 예들인데, 관개를 위한 저수지의 축조에서 힘이 작용하는 방향 등을 고려하였고, 수문의 작동원리에 역학적 지식을 이용하였으며, 더 나아가 경주 주13의 설계에서는 상당한 수준의 유체역학적 성질들이 고려되었다.
유체역학과 관련된 중요한 응용분야가 배의 제작인데 우리나라의 조선 기술은 매우 뛰어났던 것으로 평가되고 있어 유체에 작용하는 힘에 관한 지식도 매우 다양했을 것으로 짐작되고 있다.
마지막으로 기체에 관한 대표적 응용으로는 악기의 제작을 들 수 있다. 우리나라의 고대 악기들은 고분의 벽화나 출토 유물에 일부가 표현되어 있는데, 소리를 분석할 수 있는 현존하는 좋은 유물로 성덕대왕신종(聖德大王神鐘)을 들 수 있다.
에밀레종이라 불리는 이 종의 소리를 최근 분석해 본 결과, 타종에 의해 생성된 여러 가지 진동수의 음파들 중에서 낮은 진동수의 음파들은 종 내부에 오래 머물며 은은한 소리를 길게 내도록 설계된 데 반해, 높은 진동수의 음파들은 종 위쪽으로 모아져 작은 구멍을 통해 종 외부로 배출되도록 설계되었다는 것을 알게 되었다.
1200여 년 전에 이와 같은 설계를 할 수 있었다는 사실은 기체에 관한 힘의 작용을 그만큼 잘 알고 있었다는 것으로 매우 놀라운 일이다. 기체와 관련된 또 다른 응용의 하나는 연의 제작인데, 비행기가 발명되기 이전 하늘을 날 수 있는 연의 제작에도 공기의 흐름에 관한 힘의 성질이 잘 이용되었다.
우리나라에서 근대적 물리학의 도입은 19세기 말부터 이루어져 많은 분야에서 역학적 계산들이 가능하게 되었다. 역학적 계산들이 가장 먼저 성공한 분야는 천체물리 분야이며, 계산을 바탕으로 역(曆)의 체계가 세워지게 되었고, 거시적 측면에서의 자연 현상들인 대기 · 해양 · 지각의 변화 등을 예측하게 되었다.
인공적인 측면에서는 토목 · 건축을 비롯하여 조선 · 항공 · 기계 · 국방 등 다양한 분야에 역학 체계가 응용되었다. 한편, 원자나 분자와 같은 미시적 세계에서는 전자의 운동을 파동으로 다루는 양자역학이 기본적인 체계를 이루고 있고, 이들보다 더 작은 핵이나 입자의 경우에는 상대론적 양자역학이 적용되는데, 이들의 응용으로 반도체의 제조, 이를 통한 컴퓨터의 제작과 통신, 핵에너지의 이용, 입자가속기의 건설과 운용이 가능하게 되었다.
근본적인 관점에서는 힘에 관한 연구가 입자들의 상호작용으로 다루어지고 있는데, 상호작용의 종류에는 중력작용 · 전자기작용 · 약작용 · 강작용의 네 가지가 있다. 이들 각 작용에 대해서는 많은 성질들이 알려져 있지만 상호 간의 관련성이나 통합에 대해서는 전자기작용과 약작용을 제외하고는 아직 확실히 알려진 바가 없다.
참고문헌
『역학도설(力學圖說)』
『자연환경과 국제법』(최종범·김기순, 범양사, 1994)
주석
집필자