07. 역학적 에너지 보존 실험

역학적 에너지 보존법칙(law of conservation of mechanical energy)

◎ 실험 목적
  - 위치 에너지와 운동 에너지의 변화를 측정 역학적 에너지가 보존되는지를 확인

⊙ 일(work) 
  - 물체에 힘이 작용하여 움직일 때, 힘과 변위의 곱으로 주어지는 물리량

일 공식

  일은 어떤 물체에 일정한 힘을 가하여 움직이게 했을 때,
  작용한 힘의 물체 운동 방향 성분의 크기와 물체가 움직인 거리의 곱을 의미한다.

⊙ 에너지(energy)
  - 일을 할 수 있는 능력
    운동 에너지, 위치 에너지, 열 에너지, 화학 에너지, 전기 에너지 등
    단위 : 1J=1Nm

◎ 위치 에너지 (potential energy)
  - 보존력이 작용하는 공간 내에 있는 물체가 위치에 따라 잠재적으로 가지는 에너지
    중력에 의한 위치 에너지, 탄성력에 의한 위치 에너지, 분자력에 의한 위치 에너지 등
⊙ 중력 위치 에너지 
  - 물체의 높이에 따라 가지는 에너지로 질량이 m(kg)인 물체가 기준면에서 높이가 h(m)인 곳에 
   있을 때 중력 위치 에너지는 다음과 같다.

중력 퍼텐셜 에너지

◎ 운동 에너지 (kinetic energy)
  - 운동하고 있는 물체 또는 입자가 같는 에너지 
    질량이 m(kg)이고 속도가 v(m/s)인 물체의 운동 에너지는 다음과 같다.

운동 에너지

◎ 역학적 에너지
 - 물체의 운동 상태에 따라서 결정되는 퍼텐셜에너지와 운동에너지의 합

 A. 롤러코스터가 최고 위치에 있을 때 위치 에너지를 최대로 가진다.
 B. 점점 내려오면서 위치 에너지 중 일부가 운동 에너지로 전환된다.
 C. 최저점에서 위치에너지가 전부 운동에너지로 바뀌어 운동에너지가 최대가 된다.
 D. 위로 상승하면서 운동에너지가 위치에너지로 전환된다.

 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다. 
 여러 형태의 에너지를 모두 고려하면 에너지는 한 형태의 에너지에서 다른 형태의 에너지로 전환될
수는 있지만 그 총량은 일정하다.

위치 에너지를 가지고 재미있는 계산을 한 홍익대 유현준 교수님의 영상이 있어 공유를 한다.
위치 에너지와 역학적 에너지를 이해하는데 도움이 될 것이다.

https://youtu.be/4SvfxGqBWjM

 

◎ 추를 이용한 역학적 에너지 보존 실험

추를 이용한 역학적 에너지 보존 실험

1. 실에 매달린 추를 h 높이에서 스윙하게 한다. 
2. 궤도의 최저점보다 약간 높은 곳에 놓아둔 면도날에 의해 실이 끊어진다.
3. 끊어진 추의 낙하거리(H)와 수평이동거리(D)를 측정
4. 최저점에서 추의 속력을 계산

추의 속도 구하기

1. 진자 운동으로 위치에너지가 운동에너지로 바뀐 속도를 구한다.
2. 수평 방향으로 날아간 거리와 높이를 구해서 추의 속도를 구한다. 
3. 1과 2의 속도를 비교한다.

다회 반복하여 에너지 변화율을 구해 보자