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과학

세차 운동

세차 운동과학
영문명
Precession
관찰 예
팽이와 자이로스코프
핵심 개념
각운동량 방향의 변화
천문학적 예
지구 자전축 방향의 장기 변화
세차 운동은 회전하는 물체의 축 방향이 다른 방향을 중심으로 도는 현상이다. 기울어진 팽이의 축이 원을 그리는 모습이 대표적이며, 각운동량과 돌림힘의 관계로 설명할 수 있다.

도는 물체의 축도 움직인다

팽이가 자신의 축을 중심으로 빠르게 도는 운동과 그 축이 수직 방향 둘레를 도는 운동은 다르다. 전자가 자전이라면 후자의 축 방향 변화가 세차 운동에 해당한다. 두 운동은 동시에 나타날 수 있다.

실제 팽이는 마찰로 회전이 느려지거나 축의 기울기가 흔들리기도 한다. 따라서 관찰되는 모든 흔들림을 일정한 세차 운동 하나로 설명하기보다 운동을 나누어 살펴야 한다.

돌림힘은 각운동량을 바꾼다

회전 상태를 나타내는 각운동량은 크기와 방향을 가진다. 돌림힘은 그 각운동량의 변화를 결정한다. 빠르게 도는 팽이에 중력에 의한 돌림힘이 작용하면 단순히 곧장 쓰러지는 대신 축 방향이 옆으로 변하는 운동이 나타날 수 있다.

일정한 조건에서 빠르게 회전하는 팽이는 비교적 규칙적인 세차를 한다. 그러나 회전 속도와 질량 분포, 축의 기울기에 따라 운동이 달라지므로 모든 회전체가 같은 방향과 속도로 세차한다고 일반화해서는 안 된다.

지구의 축 방향도 고정되어 있지 않다

지구는 완전한 구가 아니라 적도 부분이 약간 부풀어 있다. 태양과 달의 중력이 이 모양에 돌림힘을 주면서 자전축 방향의 긴 주기 변화에 관여한다. 이 때문에 천구의 극과 춘분점의 위치도 장기간에 걸쳐 변한다.

현재 북극성을 이용해 북쪽을 찾을 수 있다고 해서 먼 과거와 미래에도 같은 별이 늘 극 가까이에 놓이는 것은 아니다. 세차는 짧은 기간의 별 움직임보다 훨씬 긴 시간 규모에서 두드러진다.

기울기 변화와 구분하기

축의 끝이 원뿔을 따라 움직이더라도 기준 방향과 이루는 각도는 일정할 수 있다. 반대로 그 각도 자체가 달라지는 운동도 있다. 자전축 기울기의 변화, 세차, 더 작은 주기적 흔들림을 구분하면 천체의 방향 변화를 더 정확하게 설명할 수 있다.

관련 문서

자전축 기울기 / 운동량 / 중력 / 천구