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물리 문제의 풀이와 물리 현상의 재현을 위한 컴퓨터 코딩을 소개하여 물리 법칙에 대한 보다 깊은 이해를 돕는다.
저자: 송오영
CHAPTER 1 물리학과 물리 코딩
1.1 물리 코딩 시작하기
1.2 뉴턴의 운동 법칙
1.2.1 뉴턴의 제1법칙 : 관성의 법칙
1.2.2 뉴턴의 제2법칙 : 가속도의 법칙
1.2.3 뉴턴의 제3법칙 : 작용 반작용의 법칙
1.3 벡터(Vector)
1.3.1 스칼라와 벡터
1.3.2 좌표계
1.3.3 위치 벡터
1.3.4 벡터 연산
1.3.5 벡터와 벡터 표현을 위한 코딩
1.4 물리량과 단위
■Exercise
CHAPTER 2 물체의 운동
2.1 변위, 속도, 가속도
2.2 입자 운동
2.2.1 등속 운동
2.2.2 등가속 운동
2.2.3 포물체 운동
2.2.4 포물체 운동의 응용 : 불꽃놀이
2.2.5 주기적으로 진동하는 운동(단순 조화 운동)
2.2.6 원운동
2.2.7 속도장 내에서 입자 운동
■Exercise
CHAPTER 3 힘
3.1 힘과 운동
3.2 만유인력
3.3 공기 저항력
3.3.1 마그누스 효과
3.4 마찰력
3.5 용수철 힘과 물체 운동
3.6 부력
■Exercise
CHAPTER 4 수치적분
4.1 변위, 속도, 가속도의 수치적 관계
4.2 오일러 방법
4.3 오일러-크로머 방법
4.4 룽게-쿠타 방법
■Exercise
CHAPTER 5 일과 에너지
5.1 에너지 보존법칙
5.1.1 일과 힘의 관계
5.2 역학적 에너지
5.3 퍼텐셜 에너지와 보존력
5.4 역학적 에너지 보존과 뉴턴의 제2법칙
5.5 컴퓨터 시뮬레이션에서 에너지 보존법칙의 역할
■Exercise
CHAPTER 6 충돌
6.1 운동량과 충격량
6.2 충돌 검출
6.3 마찰
■Exercise
CHAPTER 7 회전운동
7.1 각운동학
7.2 회전운동에너지와 회전관성
7.3 돌림힘
7.4 각운동량
7.5 각운동량의 변화를 고려한 충돌
■Exercise
CHAPTER 8 유체역학
8.1 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)
8.1.1 SPH를 위한 유체 지배 방정식
8.1.2 SPH 물리량과 힘의 계산
8.2 LBM(Lattice Boltzmann Method)
8.2.1 2차원 LBM 모델(D2Q9)
8.2.2 병진과정
8.2.3 충돌과정
8.2.4 LBM의 경계면 처리
■Exercise
APPENDIX
1. Python 및 VPython 설치방법
2. trinket.io에서 VPython 사용법
3. Jupyter notebook에서 VPython 사용법
1.1 물리 코딩 시작하기
1.2 뉴턴의 운동 법칙
1.2.1 뉴턴의 제1법칙 : 관성의 법칙
1.2.2 뉴턴의 제2법칙 : 가속도의 법칙
1.2.3 뉴턴의 제3법칙 : 작용 반작용의 법칙
1.3 벡터(Vector)
1.3.1 스칼라와 벡터
1.3.2 좌표계
1.3.3 위치 벡터
1.3.4 벡터 연산
1.3.5 벡터와 벡터 표현을 위한 코딩
1.4 물리량과 단위
■Exercise
CHAPTER 2 물체의 운동
2.1 변위, 속도, 가속도
2.2 입자 운동
2.2.1 등속 운동
2.2.2 등가속 운동
2.2.3 포물체 운동
2.2.4 포물체 운동의 응용 : 불꽃놀이
2.2.5 주기적으로 진동하는 운동(단순 조화 운동)
2.2.6 원운동
2.2.7 속도장 내에서 입자 운동
■Exercise
CHAPTER 3 힘
3.1 힘과 운동
3.2 만유인력
3.3 공기 저항력
3.3.1 마그누스 효과
3.4 마찰력
3.5 용수철 힘과 물체 운동
3.6 부력
■Exercise
CHAPTER 4 수치적분
4.1 변위, 속도, 가속도의 수치적 관계
4.2 오일러 방법
4.3 오일러-크로머 방법
4.4 룽게-쿠타 방법
■Exercise
CHAPTER 5 일과 에너지
5.1 에너지 보존법칙
5.1.1 일과 힘의 관계
5.2 역학적 에너지
5.3 퍼텐셜 에너지와 보존력
5.4 역학적 에너지 보존과 뉴턴의 제2법칙
5.5 컴퓨터 시뮬레이션에서 에너지 보존법칙의 역할
■Exercise
CHAPTER 6 충돌
6.1 운동량과 충격량
6.2 충돌 검출
6.3 마찰
■Exercise
CHAPTER 7 회전운동
7.1 각운동학
7.2 회전운동에너지와 회전관성
7.3 돌림힘
7.4 각운동량
7.5 각운동량의 변화를 고려한 충돌
■Exercise
CHAPTER 8 유체역학
8.1 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)
8.1.1 SPH를 위한 유체 지배 방정식
8.1.2 SPH 물리량과 힘의 계산
8.2 LBM(Lattice Boltzmann Method)
8.2.1 2차원 LBM 모델(D2Q9)
8.2.2 병진과정
8.2.3 충돌과정
8.2.4 LBM의 경계면 처리
■Exercise
APPENDIX
1. Python 및 VPython 설치방법
2. trinket.io에서 VPython 사용법
3. Jupyter notebook에서 VPython 사용법
물리학은 자연에서 일어나는 현상을 논리적으로 이해하고, 이 현상을 설명하는 보편적인 법칙을 찾는 기초과학의 한 분야이다. 물리학에서 지금까지 발견한 물리 법칙들은 짧은 문장과 단순한 수학 방정식으로 표현될 수 있다. 이러한 이유로 다른 학문과 다르게 암기의 고통이 없으며, 이해와 통찰의 학문으로 자리매김하고 있다. 하지만 많은 사람이 물리는 재미없고 어려우며 방정식 풀이나 수학적 계산에 능숙해야만 잘 할 수 있는 것으로 오해하고 있다. 필자도 학교에서 학생들이 물리 법칙이나 원리는 어렴풋이 이해하면서도 물리 문제 풀기를 어려워하거나 물리적인 원리를 자신 있게 설명하지 못하는 경우를 많이 경험했다. 이 학생들이 물리 법칙과 그에 따른 방정식을 모르는 것은 결코 아니다. 다만, 이를 실제 물리 문제를 해결하거나 혹은 물리 현상을 재현할 때 어떻게 적용해야 하는지를 어려워 하는 것이다. 필자는 이 책을 통해 물리 문제의 풀이와 물리 현상의 재현을 위한 컴퓨터 코딩을 소개하여 물리 법칙에 대한 보다 깊은 이해를 돕고자 한다.
