[일반물리학실험] 자이로스코프

목차

1. 실험제목
2. 실험일시
3. 실험목적
4. 이론적 배경
5. 실험내용 및 실험 과정
1) 관성모멘트 I 측정
2) 세차운동속도
3) 장동운동과 세차운동 관찰
6. 실험결과 및 분석
1) 관성모멘트 I 측정
2) 이론적 세차운동율 구하기
3) 실험적 세차운동율 구하기
4) 장동운동과 세차운동 관찰
7. 오차보정 및 반성
8. 느낀점

본문내용

주었을 때 시간에 따른 세차운동율의 그래프이다. 실험적 세차운동율은 여기서 2s부터 22s까지의 세차운동율의 평균으로 구하였다. 그 결과 이론적 세차운동율의 값은 이다.
가속도
0.065m/s2
관성모멘트 I
0.016kgm2
회전판의 평균 각속도
실험적 세차운동율
51.97s-1
이론적 세차운동율
60.4s-1
% 오차
14 %
표에서 나타난 것처럼, 실험적 세차운동율과 이론적 세차운동율의 오차는 약 14%로 나타났다. 이는 우리가 마찰질량을 고려하지 않아 운동마찰력에 의한 영향을 무시한 것과 육안으로 주기를 측정하는 것의 부정확함 등의 원인으로 이러한 오차가 나타난 것으로 여겨진다. 이 점에 대해서는 뒤의 오차보정 및 반성에서 좀 더 다루도록 하겠다.
4) 장동운동과 세차운동 관찰
아래의 세 운동들은 실험책에 있는 예시 운동 궤적을 보고 추측하여 실험한 결과이다. 첫 번째 실험은 제자리에서 세차운동 할 때의 운동이며 두 번째 실험은 운동 방향으로 좀 더 힘을 주었을 때의 세차운동이다. 마지막 실험은 운동 방향의 반대 방향으로 힘을 더 주었을 때의 세차운동이며 이와 같은 자이로스코프의 운동은 마지막 장에 첨부된 [그림 9]에서 볼 수 있듯이 벡터의 곱을 구하는 오른손 법칙을 이용하여 설명할 수 있다.
세차운동은 회전체의 회전축이 움직이지 않는 어떤 축의 둘레를 도는 현상으로 약한 외력의 모멘트가 수직으로 작용하여 생기게 된다. 장동운동은 회전축이 일정 축의 방향으로 움직이는 것을 말한다. 이에 착안하여 실험을 계획하였다. 토크에 의한 힘과 중력의 의한 힘의 벡터합은 시간에 따라 계속해서 변하며 3가지 다른 경우에 대해 이 값을 측정하였다. 시간이 지날 수록 마찰에 의해서 에너지를 잃고 점점 진폭이 감소하는 것을 볼 수 있었다.
① 외력을 가하지 않은 경우
중력에 의해 y축의 값이 점점 감소하며 마찰로 인해 진폭도 감소함을 볼 수 있다.
② 토크의 방향과 같은 방향으로 외력을 가한 경우
파장이 첫 번째 경우에 의해 증가하였음을 볼 수 있으며 마찬가지로 시간에 따라 진폭이 감소하고 있다.
③ 토크의 방향과 반대방향으로 외력을 가한 경우
반대방향으로 외력을 가했을 경우, 역주행을 하는 현상도 볼 수 있었다.
7. 오차보정 및 반성
각속도 측정 등 실험 결과에 직접적으로 사용되는 수치들을 육안으로 관찰해야 했기 때문에 많은 오차가 발생했다.
자이로스코프의 균형을 정확히 90도로 맞추기 어려운 것도 한가지 이유였다. 관성모멘트를 측정함에 있어서 세차운동이 이상적이지 못하고 흔들리는 데다가 운동횟수가 증가함에 따라 운동각도가 작아져서 정확한 관성모멘트를 측정할 수 없었다. 자이로스코프의 균형을 정확히 맞추고 주기 측정등을 육안이 아닌 기기를 사용해서 할 수 있었다면 좀 더 정확한 실험결과를 얻을 수 있었을 것이다.
각속도의 주기를 재는 것도 몇십회의 연습을 거쳐 최대한 일정한 값을 얻으려 했지만, 한계가 있는 것도 문제였다. 또한 회전판의 회전 시에 마찰이 작용하는데 보정 값으로 마찰 값을 뺐음에도 불구하고 마찰력에 의한 영향이 제대로 반영되지 않은 것으로 보인다.
하지만 마찰이 고려되지 않은 이론적 세차운동율이 실험적 수치보다 크게 나온 것을 통하여 실제 실험에서는 운동 마찰력이 세차운동에 영향을 주었음을 알 수 있었다.
다음에 같은 실험을 한다면 마찰질량을 정확하게 잴 수 있도록 노력하고 회전판을 돌리는 각속도를 일정하게 유지시킬 수 있는 기기 등을 이용하여 이론적 세차운동율과 실험적 세차운동율이 거의 비슷하게 나올 수 있도록 해보고 싶다.
8. 느낀점
첫 일반물리학 실험이었는데, 토크에 대한 사전지식이 전혀 없어서 실험하는데 매우 애를 먹었다. 토크나 강체의 회전운동에 대한 사전지식이 조금만 있었더라도 실험이 훨씬 수월했을 뿐 아니라 오차의 원인을 많이 줄일 수 있었을 것이다. 하지만 막상 실험결과를 내보니, 생각보다 신빙성 있는 데이터가 나와 굉장히 뿌듯했고 세차운동에 대해서 조금 더 깊이 있게 생각할 수 있었다.
지구, 팽이와 전자의 운동등이 모두 세차운동을 한다는 것도 조사를 통해 알게 되었다. 선운동량의 시간변화율은 힘으로 나타나고, 각운동량의 시간변화율은 토크로 나타나는 차이를 이해할 수 있었다. 항공기나 선박, 자동차 등 우리 주변의 많은 이동수단들이 회전운동을 할 때 상하움직임의 진동현상이 발생한다는 것도 알았다.
다음부터는 데이터 스튜디오의 사용법을 좀 더 익히고 사전 지식을 갖추어 더욱 체계적으로 실험할 수 있도록 노력해야겠다.

키워드

일반물리학,   자이로스코프,   관성모멘트,   세차운동률,   세차,   운동율,   장동운동,   예비보고서