충격량 측정 및 원리

목차

■ 실험 목적

■ 실험 이론

■ 실험 기구

■ 실험 방법

■ 실험 결과

■ 결과에 대한 고찰

본문내용

그 합을 구한다. 다음, 다시 데이터가 눈에 쉽게 확인되고 보기편하도록 차트(그래프)로 나타낸다.
이렇게 4번의 실험과 1차, 2차 충격량을 모두 구하여 데이터화 시키고 그래프로 나타내면 총 8개의 그래프가 나오고 이 정보들을 통해 비교하고 이론적인 방법으로 손계산식을 통해 이 값들과 비교할 수 있다.
우리가 최종적으로 알고자 하는 것은 실험에의한 값과 이론적으로 배운 식을 통해 계산으로 나온 값의 차이가 얼마나 일어나는지, 그런 오차가 왜 발생하는 지가 가장 중요한 사안이므로 위의 실험에 의한 결과값을 통해 이론과 얼마나 큰 오차가 발생하였는지 알아보도록 한다.
■ 실험 결과
1) 0.8kg 강체 / foam1
(1차 충돌) → 충격량(I)=0.983714(Ns)
(2차 충돌) → 충격량(I)=0.578278(Ns)
2) 0.8kg 강체 / foam2
(1차 충돌) → 충격량(I)=0.996286(Ns)
(2차 충돌) → 충격량(I)=0.537896(Ns)
3) 1.6kg 강체 / foam1
(1차 충돌) → 충격량(I)=1.560139(Ns)
(2차 충돌) → 충격량(I)=0.958314(Ns)
4) 1.6kg 강체 / foam2
(1차 충돌) → 충격량(I)=1.483486(Ns)
(2차 충돌) → 충격량(I)=0.762842(Ns)
- 결과 해석
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위 4번의 실험에 의한 충격량의 실험값으로 총8개의 충격량이 나왔다.
위 4번의 실험에 대한 그래프의 해석을 해보면 질량에 따라 충격력이 커지고, 1차충돌에 비해 2차충돌의 작용시간이 더 길었다. foam의 변화는 충격력과 관계가 있었지만, foam1은 충격력을 완화시켰고 foam2는 충격력을 덜 완화시켰다. 대신 foam1에서는 작용시간t가 길었고 foam2는 상대적으로 작용시간t가 짧았다. 때문에 foam의 변화는 충격량과는 관계가 없었다. 충격량은 질량의 변화와만 관계가 있는 것으로 실험결과가 데이터상으로 나온 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 1차, 2차 충돌에 의한 에너지 소실 계수(L)을 비교해보도록 한다.
같은 방법으로 를 계산하면
※
이론상으로는 이여야 하지만 실제로는 서로 다른 값이 나왔다. 나머지 실험에 대한 에너지 소실 계수(L)을 구해보면,
로 계산되어 나온다. 역시 이론과 다르게 에너지 소실 계수가 조금씩 다르게 나온 것을 확인 할 수 있다.
다음으로 에너지소실계수, 가 같다고 가정한 후 2차 충돌후의 운동량 이 같은지 비교해보도록 한다.
이렇듯 역시 크지는 않았지만 계산 결과 오차가 조금씩 발생하였다. 이상적인 값은 에너지 소실 계수가 1차와 2차 충돌에서 같다면 2차 충돌후의 이론상의 운동량값과 실험에 의한 운동량값은 서로 같아야한다.
위 실험 결과를 분석해 보았을때, 오차가 생각보다 크게 발생하였다. 구체적으로 살펴보면 질량의 변화에 따른 오차는 비슷하였지만 foam의 변화에 따른 오차는 눈에 띄게 변화가 큰 것을 확인할 수 있었다. 그 중에서도 foam2로 실험한 실험결과값이 이론값과의 오차가 많이 큰 것을 확인하였다. 아마도 foam2에서 충격력이 상대적으로 더 크고 작용시간이 짧으므로 그 과정에서 비선형적인 작용이 더 크게 일어난 것이 원인인 듯하다.
■ 결과에 대한 고찰
위 실험 결과를 분석해 보았을때, 오차가 생각보다 크게 발생하였다. 구체적으로 살펴보면 질량의 변화에 따른 오차는 비슷하였지만 foam의 변화에 따른 오차는 눈에 띄게 변화가 큰 것을 확인할 수 있었다. 그 중에서도 foam2로 실험한 실험결과값이 이론값과의 오차가 많이 큰 것을 확인하였다. 아마도 foam2에서 충격력이 상대적으로 더 크고 작용시간이 짧으므로 그 과정에서 비선형적인 작용이 더 크게 일어난 것이 원인인 듯하다. 이번 실험에 사용된 Rigid pendumlum과 foam사이의 충돌은 탄성 충돌이 아닌 비탄성 충돌로써 에너지가 충돌과정에서 생기는 마찰, 열, 소리 등 여러 가지로 에너지가 소실되게 된다. 또한 이론상으로는 foam의 변화와는 관계없이 실험 1)과 2), 3)과4)의 충격량의 값은 같게 나와야 한다. 하지만 모두 다르게 결과가 나왔다. 그 원인은 실험할 때마다 foam의 상태가 항상 일정하지 않고 고정되어 있지않아 충돌과정에서 위로 튀어오른다던지 흔들리고 고정되어야될 바가 제대로 고정되어있지않고 유격이 심해서 충돌이 어느 한 지점에서 계속 이루어지지 않고 들쭉날쭉 충돌지점이 일정하지 않고 고정되어 있지 않는다는 문제가 크게 작용한 것 같다.
또한 1차 충돌과 2차 충돌사이에서의 에너지 소실 계수가 이론상으로는 같아야 하지만 역시 모두 다르게 나온 원인을 분석하자면 가장 큰 원인으로는 떨어지는 Rigid pendumlum의 힘이 수직으로 z축 방향으로만 충돌과정에 작용하여야 하지만 충돌과정에서 힘은 x축, y축 방향으로 힘이 분산되어 힘이 나뉘므로 에너지 소실 계수는 일정하지 않았다. 다음, 에너지 소실 계수가 같다고 가정한 후 2차 충돌후의 운동량의 이론값과 실험값은 같아야 했지만 역시 오차가 발생한 이유는 충격량 측정에서의 실험오차가 가장 큰 원인이었던 것 같다. 실험에서의 오차의 원인으로는 위에서 설명한 것과 같이 Rigid pendumlum을 지지하는 bar와 foam 등이 고정이 되어 있지 않았고 Rigid pendumlum가 떨어질 때에 손에서 떨어지는 과정 중 손의 힘이 작용될 요소도 없지 않고 존재하였으며 Rigid pendumlum의 질량만 관여한 것이 아니라 추가적으로 충돌과정에서 bar의 질량도 감안을 했어야 했다.
이렇듯 충돌과정에서 생기는 오차는 많은 변수들로 인하여 생각보다 크다는 것을 확인하였다. 충돌실험은 안전과 아주 밀접한 관계를 가지므로 작은 것 하나가 안전사고를 불러일으킬 수 있는 요인이 될 것이다. 따라서 충돌실험에서는 중요한 오차를 줄이기 위해 변수들에 의한 오차를 적절히 예상하고 수많은 시행착오를 통해 오차를 줄여나가는 것이 중요할 듯 하다. 이번 실험은 간단한 실험이었지만 조금은 복잡한 수학적 계산과 많은 생각을 요구하는 실험이었던 것 같다. 역시나 다음 실험을 위해서 사전에 많은 준비를 하는 것이 중요한 것 같다.

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