강체의 움직임을 제대로 이해하려면 힘과 운동의 흐름을 먼저 파악해야 합니다. 프로그래머 여러분이 물리를 다룰 때 가장 기본이 되는 부분이죠. 모든 강체(Rigid Body)는 질량과 관성 모멘트라는 두 가지 중요한 성질을 가집니다.
질량과 관성 모멘트의 차이
질량(Mass)은 물체가 얼마나 무거운지를 나타내는 값입니다. 같은 힘을 받아도 질량이 클수록 덜 가속되죠. 반면 관성 모멘트(Moment of Inertia)는 회전에 대한 질량이라고 생각하면 이해가 빠릅니다.
물체가 얼마나 회전하기 어려운지를 결정하는 값이기 때문입니다. 질량은 숫자 하나로 표현됩니다. 하지만 관성 모멘트는 질량이 어떻게 분포되어 있는지에 따라 달라집니다. 그래서 같은 무게라도 형태가 다르면 회전 반응이 완전히 다릅니다.
외력이 만드는 선형 운동
강체에 외부에서 외력(External Force)이 작용하면 비로소 운동이 시작됩니다. 중력처럼 잡아당기는 힘이나 바닥과의 마찰력이 있습니다. 충돌 시의 충격력 등도 모두 외력에 해당합니다.
이런 힘들은 물체의 선형 운동을 변화시킵니다. 즉 위치가 어떻게 변하는지를 결정하는 요인이 됩니다. 힘이 가해지면 물체는 가속되고 속도가 변하며 위치가 바뀝니다. 가벼운 물체가 빠르게 튀어나가는 이유도 질량 차이 때문입니다.
회전을 만드는 힘 토크의 개념
힘이 항상 물체를 똑바로 밀기만 하는 것은 아닙니다. 힘이 물체 중심을 벗어나 작용하면 회전하려는 성질이 생깁니다. 이때 등장하는 개념이 바로 토크(Torque)입니다.
토크는 얼마나 강하게 어느 거리에서 비틀고 있는지를 나타냅니다. 문 손잡이를 떠올리면 이해가 쉽습니다. 손잡이 끝을 밀면 문이 쉽게 돌아갑니다. 반면 경첩 근처를 밀면 거의 돌지 않죠.
힘과 가속도의 명확한 연결 고리
이 관계를 정리하면 매우 명료해집니다. 힘은 선형 가속도(Linear Acceleration)를 만들고 토크는 각가속도(Angular Acceleration)를 만듭니다. 선형 가속도는 직선 운동의 변화를 결정합니다.
각가속도는 물체가 얼마나 빠르게 회전을 시작할지를 결정하죠. 여기에 질량과 관성 모멘트가 저항으로 작용합니다. 그래서 같은 입력이라도 물체마다 반응이 다릅니다.
게임 물리에서의 자연스러운 움직임
게임 물리에서 어떤 물체는 가볍게 밀어도 멀리 날아갑니다. 반면 어떤 물체는 온 힘을 다해도 조금만 움직이죠. 또 쉽게 굴러가는 물체가 있는가 하면 거의 회전하지 않는 물체도 있습니다.
이는 연출의 문제가 아닙니다. 힘과 토크 그리고 질량과 관성 모멘트의 관계가 일관되게 적용된 결과입니다. 이 흐름을 이해하면 강체 동역학이 자연스러운 언어처럼 느껴질 것입니다.
