[기초 물리학 실험] 중력 에너지와 회전 운동에너지, 마찰 토오크

소개글

[기초 물리학 실험] 중력 에너지와 회전 운동에너지, 마찰 토오크에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론

3. 실험 기구

4. 실험 방법

5. 결과

6. 토의

본문내용

다. 가장 간단하게 운동에너지와 위치에너지가 보존이 되는데 이는 회전운동이 존재하지 않을 때의 이야기다. 하지만 점입자가 아닌 부피를 가진 물체가 실제로는 회전운동을 가지고 있지 않도록 제어하는 것은 보통 쉬운 일이 아니다. 이 경우에는 회전운동에너지까지 합한 에너지가 보존력장 하에서 보존이 된다. 즉 어느 지점에서든지 위치에너지와 병진운동에너지, 회전운동에너지의 합이 일정하다는 것이다. 보존력장(conservational force field)의 가장 대표적인 것 중 하나가 바로 우리가 실험한 중력장이다.
위 실험에서는 병진운동에너지는 다른 에너지 량에 비해 상당히 작은 것을 볼 수 있다. 사실 운동에너지의 대부분이 회전운동에너지인데 이는 관성모멘트가 추의 질량에 비해 매우 크기 때문에다. 실험에 사용한 추와 원판의 질량 차이는 실험에 따라 적게는 10배에서 많게는 30배 정도 원판이 질량이 압도적으로 컸다. 빠르게 운동하는 물체의 속도를 제기란 쉽지 않기 때문에 비교적 측정이 쉬운 원판이 회전하는 주기를 측정하기 위해 원판의 관성모멘트를 크게 하는 것이다. 이를 이용하여 실험의 오차를 줄일 수 있는 것이다. 또한 원판과 추를 연결하는 실이나 도르래의 질량 또한 매우 작아야 이 실험에 큰 영향을 주지 못한다. 도르래의 질량이 존재하게 되면 이에 따른 관성모멘트가 생겨서 추가 당기는 힘과 원판에 작용하는 토크의 크기는 달라진다.
결과에서 보듯이 운동에너지의 크기는 위치에너지보다 항상 작은 값을 갖게 되는데 이는 당연한 결과이다. 마찰로 인한 에너지 손실은 초기에 갖고 있던 역학적 에너지보다 나중의 역학적 에너지를 항상 작게 한다. 때문에 두 번째 실험에서 보듯이 추는 항상 초기의 높이보다 낮은 위치까지밖에 올라오지 못하는 것이다.
두 번째 실험의 의도는 일, 즉 위치에너지의 변화량을 이용하여 원판에 작용하는 마찰토크의 크기를 구할 수 있다는 것이다. 여기서 흥미로운 사실은 추의 질량이 클수록 높이의 차는 더욱 작아지게 된다는 사실이다. 또한 추의 질량이 커짐에 따라 마찰토크 또한 커지는 경향을 보인다. 이는 우리가 알고 있는 마찰력에 대한 공식인 과도 관계가 있는 듯하다. 질량이 커짐에 따라서 수직항력에 대응하는 것 또한 커지지 않겠냐는 것이 나의 생각이다.
또한 만약 처음 높이와 올라왔을 때의 높이가 같다면 일은 위치에너지의 변화량이므로 0이 되고 따라서 마찰토크의 크기도 0이 되는 결과를 보이게 된다.

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