나뭇잎 교과서

케플러 법칙과 만유인력

케플러는 수십 년 치 행성 관측 자료에서 세 가지 규칙을 찾았지만, 왜 그런지는 설명하지 못했습니다. 뉴턴은 그 규칙들이 거리의 제곱에 반비례하는 하나의 힘, 중력에서 나온다는 것을 보였습니다. 행성의 주기와 거리만으로 태양과 목성의 질량을 구해 봅니다.

본문

케플러 법칙과 만유인력

본문

수성은 88일, 지구는 1년, 목성은 약 12년, 토성은 약 29년 만에 태양을 한 바퀴 돈다. 태양에서 멀수록 공전 주기가 길다. 그런데 거리가 2배이면 주기도 2배일까? 케플러는 수십 년 동안 쌓인 관측 자료에서 정확한 규칙을 찾아냈고, 뉴턴은 그 규칙에서 만유인력의 법칙을 이끌어 냈다.

그림 1. 태양계 행성의 궤도 긴반지름(천문단위)과 공전 주기(년)를 로그 눈금에 찍으면 모두 기울기 \(\frac{3}{2}\)인 직선 위에 놓인다. 곧 \(T^2 = a^3\)이다.
먼저 알아야 할 것원운동과 구심력(원운동), 타원(기하), 지수와 로그(대수).

1.4.1케플러의 세 법칙

케플러는 브라헤가 평생 기록한 화성의 위치 자료를 분석하여 행성 운동의 세 법칙을 찾았다. 제1법칙(타원 궤도 법칙)은 행성이 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 돈다는 것이다. 제2법칙(면적 속도 일정 법칙)은 태양과 행성을 잇는 선분이 같은 시간 동안 같은 넓이를 쓸고 지나간다는 것이다. 그래서 행성은 태양에 가까울 때 빠르고, 멀 때 느리다.

정리 1.4.1 케플러 제3법칙 (조화 법칙)

행성의 공전 주기 \(T\)의 제곱은 궤도 긴반지름 \(a\)의 세제곱에 비례한다. \[T^2 \propto a^3\] 지구를 기준(1 AU, 1년)으로 하면 \(T^2 = a^3\)이다.

그림 1에서 \(a\)를 바꾸어 보자. 거리가 4배이면 주기는 \(4^{3/2} = 8\)배이다. 로그를 취하면 \(\log T = \dfrac{3}{2}\log a\)이므로, 로그 그래프에서 행성들은 기울기 \(\dfrac{3}{2}\)인 직선 위에 놓인다.

1.4.2제3법칙에서 만유인력으로

뉴턴은 행성이 원 궤도를 돈다고 단순하게 보고, 구심력이 어떤 꼴이어야 제3법칙이 나오는지 따졌다. 구심력 \(F = \dfrac{mv^2}{r}\), \(v = \dfrac{2\pi r}{T}\)이고 \(T^2 = kr^3\)이면 \[F = \frac{4\pi^2mr}{T^2} = \frac{4\pi^2}{k} \cdot \frac{m}{r^2}\] 이다. 행성을 당기는 힘은 거리의 제곱에 반비례해야 한다. 뉴턴은 이 힘이 사과를 떨어뜨리는 힘과 같다고 보고, 모든 물체 사이에 작용하는 만유인력의 법칙을 세웠다.1

정리 1.4.2 만유인력의 법칙

질량 \(m_1\), \(m_2\)인 두 물체가 거리 \(r\)만큼 떨어져 있으면 서로 \[F = G\frac{m_1m_2}{r^2},\quad G \approx 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N·m}^2/\text{kg}^2\] 의 힘으로 끌어당긴다.

브라헤의 관측 케플러 법칙 역제곱 힘 만유인력 법칙
그림 2. 관측 자료에서 경험 법칙을, 경험 법칙에서 힘의 법칙을 이끌어 낸 과학의 흐름.

1.4.3예제 풀이

예제 1.4.3

화성의 궤도 긴반지름은 약 1.52 AU이다. 화성의 공전 주기를 구하여라. 또 공전 주기가 8년인 소행성의 궤도 긴반지름을 구하여라.

\(T = a^{3/2} = 1.52^{1.5} = 1.52 \times \sqrt{1.52} \approx 1.52 \times 1.233 \approx 1.87\)년이다. 실제 값 1.88년과 거의 같다.

\(T = 8\)이면 \(a^3 = 64\)이므로 \(a = 4\) AU이다. 화성과 목성 사이의 소행성대에 해당하는 거리이다. 제3법칙은 행성뿐 아니라 같은 중심 천체를 도는 모든 천체에 성립하므로, 목성의 위성이나 지구의 인공위성에도 각각의 비례 상수로 쓸 수 있다.

아래 탐구 카드에서 행성 자료로 제3법칙을 확인하고, 관측에서 만유인력까지의 역사를 따라가 보자.

  1. 뉴턴은 달의 구심 가속도가 지표의 중력 가속도의 약 \(\dfrac{1}{3600}\)이라는 것을 계산했다. 달까지의 거리가 지구 반지름의 약 60배이므로 \(60^2 = 3600\), 역제곱 법칙과 맞아떨어졌다.
마무리

케플러는 관측 자료에서 타원 궤도, 면적 속도 일정, 그리고 \(T^2 \propto a^3\)인 조화 법칙을 찾았다. 뉴턴은 제3법칙이 성립하려면 행성을 당기는 힘이 거리의 제곱에 반비례해야 함을 보이고 만유인력의 법칙 \(F = G\frac{m_1m_2}{r^2}\)을 세웠다. 그래서 처음 질문의 규칙은 '주기의 제곱이 거리의 세제곱에 비례한다'이며, 거리가 2배이면 주기는 약 2.8배이다.

탐구 1

행성의 공전 주기와 거리 사이에는 어떤 규칙이 있을까?

케플러 제3법칙 · 실제 궤도 자료
T² ÷ a³ (평균)
—
그래서 중심 천체의 질량
—
실제 값
—

궤도 긴반지름과 공전 주기는 실측값이다(행성은 NASA 행성 자료, 목성 위성은 갈릴레이 위성 네 개). 질량은 원궤도를 가정해 T² = 4π²a³ ÷ (GM)으로 계산했다.

  1. 질문수성은 88일, 지구는 1년, 해왕성은 165년에 태양을 한 바퀴 돈다. 멀수록 느린 것은 알겠는데, 거리와 주기 사이에 정확한 규칙이 있을까?
  2. 복원원운동을 하려면 중심을 향하는 구심력 mv²/r이 필요하고, 행성에서는 태양이 당기는 중력이 이 역할을 한다.
  3. 설명케플러는 1619년, 행성의 공전 주기 T의 제곱이 궤도 반지름(긴반지름) a의 세제곱에 비례한다는 것을 찾았다(제3법칙). 그래서 그래프를 로그 눈금으로 그리면 모든 행성이 기울기 3/2인 한 직선 위에 놓인다.
  4. 연결뉴턴은 이 규칙을 설명했다. 원궤도에서 GMm/a² = m(2πa/T)²/a로 두면 T² = 4π²a³ ÷ (GM)이 되므로, T²/a³이 모든 행성에서 같은 까닭은 모두 같은 태양(질량 M)을 돌기 때문이고, 그 값에서 태양의 질량을 구할 수 있다. 그리고 거리의 제곱에 반비례하는 힘이어야만 세제곱과 제곱의 관계가 나온다.
  5. 적용세 가지 축으로 바꿔 보며 어느 그래프에서 점들이 직선 위에 서는지 보자. 그다음 자료를 목성의 위성으로 바꾸어 T²/a³이 태양계 행성과 같은지, 그 값으로 구한 목성의 질량이 태양의 몇 분의 1인지 확인해 보자.
  6. 판단실제 행성 궤도는 원이 아니라 타원이고(제1법칙), 이때는 반지름 대신 긴반지름을 쓰는데, 이 카드는 원궤도로 근사했다. 또 T²/a³이 같다는 것은 같은 중심 천체를 도는 경우에만 성립하므로, 태양을 도는 행성과 목성을 도는 위성은 비율이 다르다.

확인조건이 달라지면

어떤 소행성이 태양으로부터 지구보다 4배 먼 곳에서 거의 원궤도로 돌고 있다. 이 소행성의 공전 주기는?

읽기 2

관측 자료에서 만유인력까지, 무엇이 이어졌을까?

읽기 · 브라헤, 케플러, 뉴턴

만유인력 법칙은 사과가 떨어지는 것을 보고 갑자기 떠오른 생각이 아니다. 한 세기에 걸친 정밀한 관측, 자료에서 규칙을 찾아낸 끈기, 그 규칙을 설명하는 이론이 차례로 쌓인 결과이다.

누가무엇을 했나남긴 것
티코 브라헤
1570~1601년
망원경이 없던 시대에 대형 관측 기구로 20년 넘게 행성의 위치를 각도 1′(1/60°) 수준으로 기록당시 가장 정밀한 행성 관측 자료
요하네스 케플러
1609, 1619년
브라헤의 화성 자료를 원 궤도로 설명하려다 8′의 어긋남을 무시하지 않고, 궤도가 타원이라는 결론에 이름타원 궤도, 면적 속도 일정, T² ∝ a³의 세 법칙
아이작 뉴턴
1687년
운동 법칙과 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 케플러의 세 법칙을 모두 끌어냄. 사과를 떨어뜨리는 힘과 달을 붙잡는 힘이 같다고 봄만유인력 법칙, 『프린키피아』

1규칙에서 원인으로

케플러의 법칙은 행성이 어떻게 움직이는지를 정확히 기술했지만, 왜 그렇게 움직이는지는 말하지 않았다. 뉴턴은 행성이 원에 가까운 궤도를 돌려면 태양 쪽으로 구심력이 필요하다고 보고, 제3법칙 T² ∝ a³이 성립하려면 그 힘이 거리의 제곱에 반비례해야 함을 보였다. 그리고 같은 계산을 달에 적용해, 달이 1초에 지구 쪽으로 떨어지는 거리가 사과의 약 1/3600(= 1/60²)임을 확인했는데, 달은 지구 중심에서 지구 반지름의 약 60배 떨어져 있기 때문이다.

2이론이 예측하다

만유인력 법칙은 설명에서 그치지 않고 예측을 했다. 1846년에는 천왕성의 궤도가 계산과 조금 어긋나는 것을 보고 바깥에 있는 미지의 행성이 당긴다고 가정해 위치를 계산했고, 그 자리를 망원경으로 보자 해왕성이 발견되었다. 오늘날 인공위성과 탐사선의 궤도도 같은 법칙으로 계산한다.

판단과학사는 천재의 번뜩임보다 자료와 이론이 주고받은 과정이다. 케플러가 8′의 작은 차이를 관측 오차로 넘겼다면 타원 궤도는 발견되지 않았을 것이다. 한편 뉴턴의 이론도 수성 궤도의 아주 작은 어긋남은 설명하지 못했고, 이는 뒤에 일반 상대성 이론으로 설명되었다.

확인조건이 달라지면

중력이 거리의 제곱이 아니라 거리에 반비례하는 힘이었다면, 원궤도를 도는 행성들의 주기 T와 반지름 a 사이의 관계는?

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