An’s Physics Lecture시뮬레이터

MECHANICS · 013

케플러의 법칙

타원의 모양, 쓸린 면적, 공전 주기를 한 궤도에서 읽어 보세요.

시작 대기

t0.00 s
yr
조건별 관측 기록 0/8
각 행에 설정과 관측 시각을 함께 보존합니다. 최대 8개.

공부하기

예측 → 조건 설정 → 관찰 → 기록 → 한 조건만 바꿔 비교하세요. 예제 불러오기는 현재 기록을 비우고 재현 가능한 정지 상태를 만듭니다.

01 · 중심과 초점을 구별하기

타원 위 점에서 두 초점까지의 거리 합은 일정합니다. 중심별은 그 초점 중 하나에 있습니다.

r_1+r_2=2a,\qquad c=ae,\qquad b=a\sqrt{1-e^2}
해 보기

a=2 AU, e=0.6을 불러와 시간 탐색 막대로 행성을 움직이세요. 두 초점까지의 선분과 거리 합을 확인하세요.

예상 결과. 거리 합은 4 AU, 초점과 중심의 거리는 1.2 AU, 짧은반지름은 1.6 AU입니다.

비교 질문. 타원 중심에 별을 그리면 어떤 거리·속도 해석이 달라질까요?

모델의 한계. 그림의 별과 행성 크기는 궤도와 같은 축척이 아닙니다.

02 · 같은 긴반지름, 다른 모양

이심률이 커질수록 근일점은 가까워지고 원일점은 멀어지지만 같은 중심별·긴반지름의 공전 주기는 같습니다.

r_\mathrm{p}=a(1-e),\qquad r_\mathrm{a}=a(1+e)
해 보기

a=2 AU에서 e=0을 기록하고 e=0.6을 기록하세요. 궤적 비교를 켜고 주기를 비교하세요.

예상 결과. 둘 다 주기는 2.828 yr입니다. e=0.6에서는 근일점 0.8 AU, 원일점 3.2 AU입니다.

비교 질문. 평균 거리를 단순히 그림의 가장 가까운 거리로 대신하면 왜 틀릴까요?

모델의 한계. 공전 주기는 궤도 둘레를 임의의 일정 속도로 나눈 값이 아닙니다.

03 · 같은 시간에 같은 면적

중심력이 작용하면 각운동량이 보존되어 단위 시간에 쓸리는 면적이 일정합니다.

\frac{dA}{dt}=\frac{1}{2}|\vec r\times\vec v|
해 보기

면적 보기를 불러와 근일점·원일점의 0.1T 구간을 비교하세요. 고급 설정에서 시간 간격을 0.05T와 0.2T로 바꾸세요.

예상 결과. a=2, e=0.6에서 타원 넓이는 3.2π AU²이므로 0.1T의 면적은 두 곳 모두 약 1.005 AU²입니다.

비교 질문. 같은 면적인데 근일점 부근의 각도 변화가 더 큰 이유는 무엇인가요?

모델의 한계. 면적은 화면 픽셀 수가 아니라 궤도 좌표와 시간에서 계산합니다.

04 · 빠른 근일점과 느린 원일점

근일점과 원일점에서는 속도가 반지름에 수직이어서 거리와 속력의 곱을 바로 비교할 수 있습니다.

\frac{v_\mathrm{p}}{v_\mathrm{a}}=\frac{1+e}{1-e}
해 보기

e=0.5로 불러와 시작과 0.5T에서 각각 기록하세요. 속력 그래프의 최댓값과 최솟값을 확인하세요.

예상 결과. 근일점 속력은 원일점의 3배입니다. 거리비는 반대로 1:3입니다.

비교 질문. 일반 위치에서도 rv가 항상 일정할까요, 아니면 수직 성분이 필요할까요?

모델의 한계. 각운동량에는 속도 전체가 아니라 반지름에 수직인 성분이 들어갑니다.

05 · 제3법칙을 그래프로 검증하기

같은 중심별을 도는 궤도에서 주기의 제곱은 긴반지름의 세제곱에 비례합니다.

T^2=\frac{4\pi^2}{GM}a^3
해 보기

a=1, 2, 4 AU를 각각 기록하고 주기 비교 보기를 여세요. 행성 프리셋을 추가로 기록해도 됩니다.

예상 결과. M=1에서 T는 1, 2.828, 8 yr이고 T²/a³은 모두 1입니다.

비교 질문. T 대 a 그래프 대신 T² 대 a³를 그리는 이점은 무엇인가요?

모델의 한계. 모형의 계산값을 이용한 검증입니다. 실제 관측 오차가 들어간 천문 자료는 아닙니다.

06 · 중심별 질량을 바꾸면

같은 크기의 궤도라도 더 무거운 별을 돌면 주기가 짧아집니다. 제3법칙의 비례상수는 중심별에 따라 달라집니다.

T\propto\frac{1}{\sqrt{M}},\qquad\frac{T^2}{a^3}=\frac{1}{M}\ \text{(AU, yr, solar mass)}
해 보기

a=1 AU에서 M=1과 M=4를 각각 기록해 주기 비교 그래프를 보세요.

예상 결과. 주기는 1 yr에서 0.5 yr로 줄고 T²/a³은 1에서 0.25로 바뀝니다.

비교 질문. 서로 다른 중심별의 행성을 같은 직선에 놓으면 어떤 문제가 생길까요?

모델의 한계. 행성 질량을 무시합니다. 행성 질량이 크면 총질량과 질량중심 운동을 고려해야 합니다.

07 · 속력과 에너지를 연결하기

타원 궤도에서 위치에 따라 속력은 바뀌지만 단위 질량당 역학적 에너지는 일정합니다.

v^2=GM\left(\frac{2}{r}-\frac{1}{a}\right),\qquad\varepsilon=-\frac{GM}{2a}
해 보기

a=1 AU, e=0.6에서 여러 시각을 기록하세요. 거리·속력과 에너지 열을 함께 비교하세요.

예상 결과. M=1이면 모든 시각의 에너지는 −2π²≈−19.739 AU²/yr²입니다.

비교 질문. 원운동의 v²=GM/r을 타원의 모든 점에 적용하면 왜 안 될까요?

모델의 한계. 에너지의 음수는 퍼텐셜의 0을 무한대로 정한 결과이며 에너지 부족을 뜻하지 않습니다.

08 · 원도 타원의 한 경우

이심률이 0이면 두 초점이 겹치고 거리·속력·각속도가 모두 일정해집니다.

e=0,\qquad r=a,\qquad v=\sqrt{\frac{GM}{a}}
해 보기

e=0으로 불러온 뒤 면적 보기와 속력 그래프를 확인하세요. e를 조금씩 늘려 비교하세요.

예상 결과. a=1 AU, M=1에서 속력은 2π≈6.283 AU/yr, 주기는 1 yr입니다.

비교 질문. 원운동에서 같은 시간의 같은 면적이 같은 각도를 뜻하는 이유는 무엇인가요?

모델의 한계. 이 모델은 e≤0.9의 닫힌 궤도만 다룹니다. 탈출은 뉴턴 대포에서 탐구하세요.

모델 · 조작법

물리 모델과 단위

중심별을 고정하고 행성 질량을 무시한 뉴턴의 두 물체 근사입니다. 길이는 AU, 시간은 년, 중심별 질량은 태양 질량 단위이며 GM=4π²M으로 정규화합니다. 케플러 방정식으로 위치와 속도를 함께 계산합니다. 행성 프리셋은 반올림한 대표 궤도 요소로, 특정 날짜의 실제 위치 예측이 아닙니다. 중심별은 타원 중심이 아니라 한 초점에 있습니다. 두 면적은 근일점과 원일점에서 시작하는 동일 시간 구간을 비교합니다. 기록된 조건은 궤도와 T² 대 a³ 그래프에서 비교할 수 있습니다. 행성 간 섭동·상대론·중심별 반동은 생략합니다.

조건·시간·기록

설정을 바꾸면 현재 시간은 0으로 돌아가고 정지합니다. 기존 기록은 당시 설정과 함께 유지됩니다. 처음으로는 설정·기록을 유지하며 시간만 0으로, 전체 초기화는 설정·보기·기록까지 기본값으로 돌립니다. 공부하기의 예제는 기록도 비워 이전 실험에 영향을 받지 않습니다. 기록은 이 브라우저 탭 안에서 최대 8개이며 새로고침하면 사라집니다. CSV로 보관할 수 있습니다.

시각 직접 입력·탐색 막대·그래프 클릭은 같은 모델 상태로 이동하며 정지합니다. 그래프는 현재 조건의 계산 경로 전체를 보여 주고 세로선은 현재 시각입니다. 숨겨진 탭에서는 시계를 멈추며 돌아와도 시간을 건너뛰지 않습니다. 재생 배율의 1×는 0.15 yr/실제 초입니다.

조작과 접근성

Space 재생/정지, → 정지 중 한 단계, R 처음으로, F 집중 모드, Esc 대화상자·집중 모드 종료. 입력칸에서는 브라우저 기본 키 동작을 유지합니다. 한 손가락으로 실제 손잡이를 잡을 때만 드래그하고, 빈 곳 스크롤과 두 손가락 확대는 허용합니다.