세차 운동

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세차 운동(歲差運動) 또는 옆돌기운동은 물리학에서 쓰임과 천문학에서 쓰임이 약간 다르다.

물리학에서 세차 운동(precession)은 회전하고 있는 강체에 돌림힘이 작용할 때, 회전하는 물체가 이러저리 움찔거리며 흔들리는 현상을 말한다. 세차 운동을 관찰할 수 있는 가장 일반적인 예는 팽이를 돌릴 때, 회전 속도가 줄면서 팽이의 축을 중심으로 한 팽이의 회전이 아닌 축 자체가 팽그르르 도는 것이다.

팽이뿐만 아니라 특정 축을 중심으로 자전하는 물체는 중력이 작용하는 지구상에서 모두 세차 운동을 할 수 있다. 회전하는 물체(예를 들어 팽이)가 세차 운동을 할 때에, 회전축(팽이의 축)은 물체의 회전 방향과 반대방향으로 돌게 된다. 회전 속도가 세차 운동 동안 일정하고, 작용하는 돌림힘 또한 일정하다면, 축이 이동하는 속도는 돌림힘과 각속도(회전축의 방향)와 계속 직각이 되며, 따라서 회전하는 축이 그리는 자취는 원뿔이 된다.

팽이의 경우를 더 상세히 설명하면 (옆의 그림), 팽이의 축이 완벽히 중력 방향이 아니고 약간 기울어져 있다면, 중력은 팽이를 넘어뜨리려고 잡아끈다. 이 힘은 팽이의 아랫쪽 끝을 축으로 무게중심을 아랫쪽으로 돌리려는 토크로 작용한다. 그러나 팽이는 기울어진 방향으로 그대로 넘어지지 않고, 기울어진 각을 유지한 채 축만 회전하게 된다.

[편집] 지구의 세차 운동

지구도 회전하는 강체로 볼 수 있기 때문에 세차 운동이 생긴다. 지구는 극반지름에 비해 적도반지름이 조금 더 큰 회전타원체 모양을 하고 있다. 부풀어 오른 부분을 벌지(buldge)라고 한다. 거리가 멀어질수록 작아지는 중력의 특성 때문에 태양의 중력은 태양을 향한 쪽 벌지에서 더 크게 작용하게 된다. 지구의 자전축이 지구의 공전궤도면에서 기울어져 있기 때문에 하지나 동지 무렵에는 벌지에 작용하는 태양의 중력 차이가 지구를 공전궤도면에 수직으로 세우려는 힘(돌림힘)으로 작용하게 된다. 회전하는 계에 돌림힘이 작용하면 돌림힘 방향의 각운동량을 더하게 된다. 지구의 경우에는 태양과 지구의 벌지때문에 생기는 돌림힘은 춘분점 방향과 평행하므로 지구의 회전축은 춘분점 방향으로 기울게 된다. 그만큼 춘분점은 다시 이동하게 되어 같은 작용이 반복되므로 지구 자전축은 회전하게 되는 것이다. 한 세기 동안의 관찰 결과에 의하며 춘분점은 일년에 50.4초만큼 이동하며 간단한 계산을 하면 주기는 25,730년으로 알려져 있다.

지금의 지구 자전축은 북극성을 향하고 있지만 기원전 30세기의 이집트 사람들이 관찰할 당시에는 용자리 알파별이었다. 그리스의 히파르코스는 기원전 120년에 이전 천문학자들의 관측과 자신의 관측을 종합하여 세차운동을 발견하였다.