1. 물리학에서, 기준틀 (Frame of Reference) 또는 기준계 (Reference System) 이란?
ㅇ 통상, 물체의 위치와 운동을 관찰하고 기술하기 위해 설정하는 좌표계를 말함
- 사실상, 공간 위치 좌표로 나타내는 수학적 좌표계 이상의 의미로써,
. 좌표 원점,좌표 축,이론적 모델,표준 등 모두를 포함하는,
. 물리적으로 더 포괄적인 개념임
- 물체의 운동을 기술(記述)하는 운동법칙(물리법칙)이 성립하는 기준틀(기준계)
ㅇ 모든 물리학적 서술은 어떤 기준계 위에서 이루어짐
- 즉, 운동은 사용되는 기준계에 의존함
. 例) 지면에 고정된 좌표계, 움직이는 열차 내부의 좌표계 등
- 결국, 기준계를 명시 않고, 절대 운동을 논하는 것은, 물리학적으로 의미가 없음
. 사실상, 동일 운동이라도, 서로다른 기준계에서 다룰 수 있음
. 따라서, 적절한 기준계 선택이 종종 문제를 쉽게 다룰 수 있게됨
2. 절대 기준계, 절대 기준틀 (Absolute Frame of Reference)
※ 사실상, 절대 기준계(틀)는 존재하지 않음, 모든 운동은 상대적임
ㅇ 역사적으로,
- 뉴턴이 생각했던 `절대 공간(Absolute Space)` 개념에서 비롯됨
. 뉴턴은 우주 전체를 기준으로 한 절대 공간이 있다고 생각했음
- 즉, 어떤 움직임도 영향을 주지 않는, 완전히 고정된 절대적 기준계가 있다고 가정함
ㅇ 현대적으로,
- 상대성 이론 이후, 절대 기준계는 존재하지 않는다는 것이 받아들여짐
- 오직 상대적 기준계들 사이의 관계만 의미가 있음
- 따라서, `절대 기준계`라는 용어는, 현대에서 역사적 의미나 개념 설명용으로 만 쓰임
3. 관성 기준틀 및 비 관성 기준틀
※ `서로 가속 운동을 하는 두 관찰자에게 물체가 받는 힘이 다르게 보임`
- 이러한 어려움을 극복하기 위해,
- `관성 기준틀`이라는 가정을 하게 됨
ㅇ 관성 기준틀 또는 관성계 (Inertial frame, Inertial frame of reference)
- 뉴튼의 운동법칙(특히,관성의 법칙/뉴튼의 제1법칙)이 성립하는 좌표계 (관성 좌표계)
. 회전하지 않고, 가속되지 않는 임의의 이동 좌표계
. 비 가속계 즉, 일정 속도로 만 움직이는 기준틀
. 이곳에서는 Newton의 역학의 원리가 성립됨
- 특징
. 관성 기준틀에서는, 뉴튼의 운동법칙이 성립 함
. 관성계 안에서 힘을 받지 않으면, 가속되지 않음 (즉,자신의 운동상태를 유지함)
. 관성계 안에서 입자의 운동은 뉴튼방정식 F = ma에 의해 정확한 기술 가능
- 고전적,상대론적 관점 차이
. (고전적인 관점) 고정된 절대 기준틀이 있다고 믿음
. (상대론적 관점) 고정된 절대 기준틀은 없음
- 용어 명칭
. 뉴튼 기준계, 관성 기준계(Inertial Reference System), 기본 관성계(Primary
Inertial System), 천문 기준계(Astronmical Frame of Reference) 등 으로도 불리움
- 例) 갈릴레이 기준계/기준틀/프레임 (Galilean Frame)
. 갈릴레이 변환을 따르는 관성 기준계로써,
. 상대성 이론이 적용되지 않는 고전 물리학적 기준계
. 즉, 뉴튼의 제2법칙이 완벽하게 만족됨
ㅇ 비 관성 기준틀 (Noninertial frame)
- 뉴튼의 운동법칙이 성립하지 않는 기준틀 (가속계)
. 회전을 하거나 속도가 빨라지는 등 가속을 받는 계는 관성계가 아님
- 특징
. 비 관성 기준틀에서는, 뉴튼의 운동 법칙이 성립 안함
. 다만, 관성력(유사 힘,겉보기 힘,달랑베르 힘)을 도입하면(추가하면),
.. 비 관성 기준틀에서도, 뉴튼의 운동법칙이 성립케 하여,
.. 마치 관성 기준틀에서 하는 것 처럼, 뉴튼의 운동법칙을 다를 수 있음
. (관성력 例 : 코리올리 힘, 원심력, 오일러 힘 등)