[실험 시간] 약 90분
자유낙하운동의 원리 이해하기
자유낙하운동의 원리와 적용 사례에 대해 알아보고 실험 준비를 해보겠습니다.
자유낙하운동은 중력의 영향을 받는 물체가 외부 힘에 영향을 받지 않고 자유롭게 떨어지는 운동입니다. 공중에 있는 물체가 수직으로 아래로 가속되며 속도가 증가하는 운동을 의미하며, 중력에 의해 발생됩니다.
자유낙하운동에서 물체의 초기 속도는 0이며 중력의 가속도에 따라 점점 빨리 가속됩니다.
이 때 지구의 중력 가속도는 약 9.8m/s²이며 자유낙하운동에서 물체는 시간에 따라 일정한 가속도로 추락합니다. 추락 운동에서 물체의 이동 거리는 시간의 제곱에 비례하여 증가합니다.
따라서, 자유낙하운동은 중력만이 작용하는 상태에서 발생하는 운동으로, 초기 속도 없이 시간에 따라 등속적으로 가속되어 운동하는 현상입니다.
스카이다이빙은 높은 고도에서 비행기나 헬리콥터 등으로 이동해 빈 공간에서 낙하하는 스포츠입니다. 중력의 영향을 받아 가속하며 최대 속도가 약 200km/h 이상이 될 수 있어 자유낙하운동의 효과를 극대화하기 위한 물리적인 요소들이 많이 사용됩니다.
스카이다이빙과 마찬가지로 중력에 의해 자유롭게 떨어지는 운동으로 자유낙하운동의 원리를 활용하고, 공기 저항을 이용해 하강 속도를 조절합니다.
속도 계산
- 물체의 운동 시간(t)과 자유 낙하 거리(h)를 알 수 있을 때, 중력 가속도(g)를 알아야 합니다.
- 지구의 중력 가속도는 보통 9.8m/s²로 가정합니다.
- 물체의 초기 속도를 0이라고 할 때, 자유낙하운동에서 속도(v)는 시간에 비례해 증가하므로 v=gt로 나타낼 수 있습니다.
중력 계산
- 물체가 자유낙하 할 때 물체의 위치 에너지는 모두 운동 에너지로 변하므로 ½mv²=mgh를 만족합니다.
- 이 때, v=gt이므로 ½mg²t² = mgh이고, ½gt² = h, g = 2h/t²이 됩니다.
자유낙하 시간(t)
- 적외선 센서로 물체를 감지해 물체의 운동 시작 시간을 알 수 있다.
- 지면에 물체가 떨어졌을 때 충격 감지 센서에 충격이 감지되면 물체의 운동 종료 시간을 알 수 있다.
- 자유낙하 시간 = (운동 종료 시간) - (운동 시작 시간)
중력(g)
- 지구 중력 9.8m/s²으로 가정하고 계산한다.
높이(h)
- 실험 장치를 1m~1.5m로 설치하기 때문에 높이를 알 수 있다.
적외선 근접 센서는 적외선 LED에서 적외선을 방출하고 물체에 부딪혀 반사된 적외선을 포토 트랜지스터가 받아 물체를 감지하는 원리입니다.
물체가 감지되면 감지 LED가 켜지며 자유낙하운동 실험에서 물체가 떨어질 때, 시작 시간을 기록하는 역할을 합니다.
적외선 근접 센서는 지면에서 1m~1.5m 높이에 설치해야 합니다. 따라서 암수점퍼선을 5~6개 이상 준비합니다.
물체가 감지되지 않으면 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 감도를 조절합니다.
충격 감지 센서는 충격이나 진동, 충돌 등을 감지하는 센서로 물체가 바닥에 닿았을 때 충격을 감지합니다. 따라서 물체의 운동 종료 시간을 알 수 있습니다.
충격 감지 센서에 너무 과도한 힘을 가하면 센서가 고장 날 수 있으므로 사용에 주의합니다.
충격이 감지되지 않으면 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 감도를 조절합니다.
실험 결과 값을 출력하는 화면으로 물체의 속도 변화와 운동 시간을 알 수 있습니다.
문구가 나오지 않으면 뒷면의 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽을 돌려 감도를 조절합니다.
- 적외선 센서를 1m~1.5m 높이의 벽에 설치합니다. 암수점퍼선을 5~6개 연장하여 사용합니다.
- 충격 감지 센서를 적외선 센서와 수직이 되도록 바닥에 설치합니다.
- 적외선 센서, 충격 감지 센서가 올바르게 작동 되는지 확인합니다.
- 적외선 센서에서 충격 감지 센서로 물체를 수직으로 떨어뜨립니다.
- 이 때 과도한 충격으로 충격 감지 센서가 고장나지 않도록 주의합니다.
- 각 센서가 반응한 시간을 측정해 물체의 운동 시간과 중력을 구합니다.