달이 같은 면을 보여 주면, 안 도는 걸까요?

중앙을 향하는 표시를 유지한 원판과 방의 왼쪽을 향한 원판을 한 바퀴 옮겨요. 끝 모습이 같아도 중간 방향과 누적 회전각은 왜 다른지, 좌표와 각도로 확인하는 활동이에요.

해 질 무렵 빈 테라스의 작은 망원경

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

달이 지구에 같은 면을 보여 준다면, 달은 제자리에서 돌지 않는 걸까요? 작은 원판에 화살표를 하나 붙여 직접 옮겨 볼까요? 끝난 사진 한 장만으로 두 움직임을 구별할 수 있는지도 확인해요.

종이 중앙에 지구 표식을 고정하고 그 둘레에 원을 그려요. 방의 위쪽 방향도 따로 표시해요. 달 원판은 원의 오른쪽에서 출발하며 화살표는 중앙을 향해 왼쪽을 가리켜요. 크기·거리·시간을 실제 천체처럼 맞추는 실험은 아니에요.

첫 시도에서는 원판 중심을 원둘레로 반시계 방향 한 바퀴 옮겨요. 이동 중에도 화살표가 항상 중앙을 향하도록 원판을 돌려요. 오른쪽·위·왼쪽·아래 네 자리에서 잠깐 멈추고 화살표를 종이에 베껴 그려 봐요. 방을 기준으로 왼쪽·아래·오른쪽·위쪽이에요. 각 구간에서 반시계로 90도씩 돌아, 출발점까지 오면 원판 자체도 한 바퀴 돌았어요.

두 번째에는 화살표를 방의 왼쪽으로 고정한 채 원판만 같은 길로 옮겨요. 제자리 회전은 없지만, 위쪽 자리부터는 표시가 중앙을 향하지 않아요. 왼쪽 자리에서는 오히려 중앙 반대쪽을 가리켜요.

방을 기준으로 고정한 평면좌표를 써 볼까요? 중앙 O=(0,0), 원의 반지름은 그림의 단위 1입니다. 오른쪽·위·왼쪽·아래의 중심 위치 P₀·P₁·P₂·P₃은 각각 (1,0)·(0,1)·(−1,0)·(0,−1)이고, 한 바퀴 뒤 P₄=P₀입니다. i는 0부터 4까지의 방문 순번, (xᵢ,yᵢ)는 Pᵢ의 좌표예요. 중앙을 향하는 화살표 uᵢ는 중앙 좌표에서 원판 좌표를 뺀 방향이에요.

OPi=xi2+yi2=1,ui=(−xi,−yi).\begin{aligned} OP_i&=\sqrt{x_i^2+y_i^2}=1,\\ u_i&=(-x_i,-y_i). \end{aligned}

같은 거리 1인 네 자리에서 uᵢ를 구하면 (−1,0)·(0,−1)·(1,0)·(0,1), 즉 왼쪽·아래·오른쪽·위쪽이에요. 위치가 같은 원을 따라 바뀌는 동안에도 중앙을 계속 향해야 하므로 첫 시도 A의 표시도 반시계로 돌아야 해요.

오른쪽 방향을 0도로 잡고 반시계 회전각을 누적해 기록해 볼게요. A의 각도를 θᵢ, 방의 왼쪽에 고정한 B의 각도를 φᵢ라 쓰면 둘 다 처음에는 180도예요. A는 각 사분 구간에서 90도씩 더하고, B는 계속 180도예요. 여기서는 누적 기록을 360도로 나눈 나머지로 줄이지 않아요.

θi=180∘+90∘i,θ4−θ0=540∘−180∘=360∘,ϕ4−ϕ0=180∘−180∘=0∘.\begin{aligned} \theta_i&=180^\circ+90^\circ i,\\ \theta_4-\theta_0&=540^\circ-180^\circ=360^\circ,\\ \phi_4-\phi_0&=180^\circ-180^\circ=0^\circ. \end{aligned}

A의 마지막 540도 방향은 180도와 같지만, 그동안 더한 회전은 360도예요. B는 회전 0도예요. 그래서 마지막 사진은 같아도 중간의 방향과 누적 회전은 달라요. 이 결론은 중앙을 연속으로 향한다는 조건에서 나와요. 네 순간의 사진만 주고 그 사이의 움직임을 모른다면 회전 총량을 이렇게 정할 수 없어요.

두 시도는 마지막 위치와 화살표 방향이 같아요. 중간 화살표 기록을 바탕으로 어느 시도가 지구에 같은 면을 보이는 모형인지 골라 봐요. 답은 첫 시도예요. 중앙을 향하는 방향이 계속 바뀌므로, 같은 면을 유지하려면 방을 기준으로 원판을 돌려야 해요. 실제 달의 작은 흔들림이나 기울기는 이 평면 모형에 넣지 않아요.

착안: Royal Museums Greenwich, Everything you’ve ever wanted to know about the Moon — Does the Moon rotate?. 자전과 공전이 맞물려 같은 쪽을 보이는 알려진 설명을 읽고, 원판의 중간 방향 기록으로 두 이동을 구별하는 종이 활동을 작성했어요. 원전 사진·영상·도안을 옮기지 않았어요.

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