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MECHANICS · 014

뉴턴의 대포

낙하에서 궤도로, 궤도에서 탈출로 이어지는 조건을 탐구하세요.

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각 행에 설정과 관측 시각을 함께 보존합니다. 최대 8개.

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

01 · 궤도 운동도 자유 낙하

수평으로 빠르게 발사한 물체는 떨어지는 동안 지표면이 휘어져 멀어지면 계속 낙하하면서도 지면에 닿지 않을 수 있습니다.

a=\frac{GM}{r^2}
해 보기

지구 500 km에서 6500 m/s를 기록하고 8000 m/s로 바꾸어 비교하세요. 두 궤적의 지표면 교차 여부를 보세요.

예상 결과. 6500 m/s는 지면과 만나고, 8000 m/s는 지표면 밖의 타원 궤도가 됩니다.

비교 질문. 위성에서 중력이 사라지는 것과 계속 자유 낙하하는 것은 어떻게 다른가요?

모델의 한계. 대기 없는 구형 천체입니다. 실제 낮은 궤도에서는 대기 저항이 중요할 수 있습니다.

02 · 원궤도 속력을 찾아보기

중력 가속도가 원운동에 필요한 구심 가속도와 같을 때 반지름이 일정한 궤도가 됩니다.

v_\mathrm{c}=\sqrt{\frac{GM}{r_0}}
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원궤도 근처 버튼으로 설정하고 재생하세요. 고도 그래프를 보며 속력을 100 m/s 낮추거나 높여 기록하세요.

예상 결과. 지구 500 km의 원궤도 속력은 약 7616 m/s입니다. 그 부근에서 고도 변화가 가장 작습니다.

비교 질문. 원궤도에서 속력은 일정한데 속도는 왜 일정하지 않을까요?

모델의 한계. 버튼은 1 m/s로 반올림합니다. 작은 고도 변화는 이 입력 오차에서도 생깁니다.

03 · 탈출 속력과 에너지 0

무한히 멀리 갈 수 있는 경계에서는 단위 질량당 에너지가 0입니다. 속력이 원궤도보다 √2배 큽니다.

v_\mathrm{esc}=\sqrt{\frac{2GM}{r_0}},\qquad\varepsilon=\frac{v^2}{2}-\frac{GM}{r}
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탈출 직전과 탈출 이상 프리셋을 각각 기록하고 에너지 부호와 궤도 판정을 비교하세요.

예상 결과. 지구 500 km의 탈출 속력은 약 10771 m/s입니다. 그 아래는 음의 에너지, 위는 양의 에너지입니다.

비교 질문. 화면 밖으로 나간 것만으로 탈출했다고 판정해도 될까요?

모델의 한계. 탈출 판정은 에너지로 합니다. 유한한 계산 시간에 무한대 도달을 그릴 수는 없습니다.

04 · 고도가 높아지면 필요한 속력은

더 먼 원궤도일수록 필요한 원궤도 속력과 탈출 속력은 작지만 공전 주기는 길어집니다.

v_\mathrm{c}\propto r^{-1/2},\qquad T\propto r^{3/2}
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500 km에서 원궤도 근처를 기록하고, 고도를 1500 km로 바꾼 뒤 원궤도 근처를 다시 눌러 기록하세요.

예상 결과. 두 번째 조건의 원궤도 속력과 중력은 작습니다. 고도만 바꾸고 속력을 유지하면 새 원궤도가 아닙니다.

비교 질문. 고도 h와 중심 거리 r을 같은 값으로 넣으면 어떤 오류가 생길까요?

모델의 한계. r은 천체 반지름과 고도의 합입니다. km와 m 변환도 필요합니다.

05 · 같은 속력이라도 발사 방향이 중요하다

같은 위치·속력은 같은 에너지이지만 각운동량은 발사 방향에 따라 달라집니다. 따라서 궤도 모양도 달라집니다.

\ell=|\vec r\times\vec v|=r_0v_0\cos\alpha
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8000 m/s, 수평 발사를 기록하고 발사각을 30°로 바꾸어 기록하세요. 에너지와 궤적·최근점 거리를 비교하세요.

예상 결과. 출발 에너지는 같고, 두 번째 각운동량은 cos30°배입니다. 에너지가 음수여도 궤도가 지면과 교차할 수 있습니다.

비교 질문. 같은 긴반지름을 가진 두 궤도가 서로 다른 이심률을 가질 수 있을까요?

모델의 한계. 천체 내부의 수학적 궤도는 이어 그리지 않습니다. 지표면에서 계산을 멈춥니다.

06 · 지구와 달에서의 비교

달은 지구보다 질량도 반지름도 작습니다. 표면 중력과 필요한 궤도 속력을 질량만으로 판단할 수는 없습니다.

g_\mathrm{surface}=\frac{GM}{R^2}
해 보기

달, 고도 100 km에서 원궤도 근처를 불러와 기록하세요. 천체를 지구로 바꾸고 같은 고도에서 다시 설정하세요.

예상 결과. 달 100 km의 원궤도 속력은 약 1633 m/s로 지구에서의 값보다 작습니다.

비교 질문. 같은 고도와 같은 중심 거리 비교는 왜 서로 다른 실험인가요?

모델의 한계. 지구와 달은 서로 다른 좌표 축척이므로 천체를 바꾸면 이전 궤적 겹치기는 생략하고 표로 비교합니다.

07 · 일정한 중력의 두 가지 뜻

여기서 일정 크기 중심력은 방향이 계속 중심을 향합니다. 수평·수직 방향이 고정된 포물선 운동의 중력장과 다릅니다.

\vec a=-g_0\hat r,\qquad U_\mathrm{specific}=g_0r
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속력 12000 m/s에서 역제곱 모형을 기록한 뒤 일정 크기 중심력으로 바꾸어 비교하세요.

예상 결과. 역제곱 모형에서는 탈출하지만 일정 크기 중심력에서는 유한한 탈출 속력이 없다고 표시됩니다.

비교 질문. 방향만 달라도 일정 가속도 포물선 공식이 성립하지 않는 이유는 무엇인가요?

모델의 한계. 두 모형의 퍼텐셜 기준이 다르므로 에너지의 숫자·부호를 모형 사이에서 직접 비교하지 않습니다.

08 · 수치 계산을 보존량으로 점검하기

중심력에서는 각운동량이, 시간에 무관한 보존력에서는 역학적 에너지가 일정해야 합니다.

\varepsilon=\mathrm{const.},\qquad\ell=\mathrm{const.}
해 보기

8000 m/s 궤도에서 시작·중간·끝을 기록해 CSV를 내려받으세요. 에너지와 각운동량 열의 상대 변화를 비교하세요.

예상 결과. 반올림 표시 안에서는 거의 일정합니다. CSV는 더 많은 자릿수를 남겨 적분 오차를 확인할 수 있습니다.

비교 질문. 배속을 바꾸었을 때 결과가 바뀐다면 어떤 시간 간격 처리가 의심스러울까요?

모델의 한계. 보존량이 잘 맞는 것만으로 모든 근사가 옳다는 뜻은 아닙니다. 대기·다체 효과는 여전히 생략됩니다.

모델 · 조작법

물리 모델과 단위

중력은 언제나 천체 중심 방향입니다. 역제곱 모형은 GM/r², 일정 크기 중심력은 표면 중력의 크기를 유지합니다. 후자는 아래 방향이 일정한 균일 중력과 다르며 퍼텐셜이 gr로 증가해 유한한 탈출 속력이 없습니다. 지구·달의 기존 질량과 반지름을 사용하고 천체 회전·대기·다른 천체는 생략합니다. 고도는 표면에서 잽니다. RK4의 최대 시간 간격은 1초이며, 지표면에 닿으면 충돌 직전에서 멈춥니다. 계산 종료는 최대 80000초 또는 중심 거리 12R이며, 화면에 끝에 도달했다고 표시합니다. 벡터는 표시 배율이 적용되고 천체와 궤적은 같은 길이 축척입니다. 임계 속력 버튼도 1 m/s 입력 간격에 맞추므로 정확한 원·포물선은 아닐 수 있습니다.

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 300 s/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.