본문내용
1. 중력에 의한 운동 비교
1.1. 실험 목적
옛날에는 무거운 물체가 가벼운 물체보다 빨리 떨어진다는 아리스토텔레스의 생각이 널리 유명했다. 반면 갈릴레이는 만약 가벼운 물체와 무거운 물체를 실로 엮어 떨어트릴 때, 무거운 물체와 가벼운 물체의 중간속도로 떨어 질 것이라고 생각했고, 이는 두 물체를 엮었을 때 더 빨리 떨어 질것이라는 아리스토텔레스의 가설과 반대되어 자유낙하 실험을 하게 되었다. 이 실험은 자유낙하와 포물선 운동을 하는 물체 중 어떤 물체가 먼저 떨어지는지 확인 할수 있는 장치를 가지고 확인해보며, 중력을 받는 물체의 운동을 설명 할 수 있다.
1.2. 실험 이론 (원리)
위치 에너지가 같으면 물체의 질량에 비례하지 않고 자유 낙하 속도가 같다는 점이다. 이에 따르면 무거운 물체와 가벼운 물체를 실로 엮어 떨어트릴 때, 무거운 물체와 가벼운 물체의 중간 속도로 떨어질 것이라는 아리스토텔레스의 가설과 반대되므로 자유낙하 실험을 하게 되었다.
자유 낙하 운동은 중력으로 인해 속도가 일정하게 증가한다는 것이다. 수평으로 던진 물체의 경우 연직방향의 운동은 자유낙하 운동과 같고 수평방향은 등속 직선운동이다.
즉, 이 실험을 통해 자유낙하와 포물선 운동을 하는 물체 중 어떤 물체가 먼저 떨어지는지 확인할 수 있는 장치를 가지고 확인해볼 수 있으며, 중력을 받는 물체의 운동을 설명할 수 있다.
1.3. 기구 및 장치
레일, 레일 지지대, 쇠구슬(큰 구슬2개, 작은 구슬 2개), 줄자, 삼각대, 카메라, 모눈종이 테이프, 우드락이 실험에 사용된 기구 및 장치이다. 레일과 레일지지대는 책상 끝부분에 고정되어 쇠구슬이 자유낙하 및 포물선 운동을 할 수 있게 한다. 쇠구슬은 질량이 다른 큰 구슬 2개와 작은 구슬 2개를 이용하며, 줄자는 높이 측정에 사용된다. 삼각대는 카메라를 고정하여 쇠구슬의 운동을 촬영하고, 모눈종이 테이프와 우드락은 운동 경로를 표시하는 데 사용된다.
1.4. 실험 방법
레일과 레일지지대를 책상 끝부분에 맞추어 고정한다. 한 명이 모눈종이를 책상 모서리부터 쇠구슬이 떨어질 경로를 따라 들고 있다. 장치에 부착된 쇠구슬 걸게를 앞쪽으로 빼놓는다. 한 쇠구슬은 경사면 위에 두고, 한 쇠구슬은 레일 아래(회전판의 구멍)에 둔다. (위의 쇠구슬이 떨어지면서 아래의 쇠구슬을 쳐 같이 떨어진다.) 한 명이 쇠구슬 걸게 뒤쪽을 잡아당겨 쇠구슬을 떨어뜨리고, 동시에 다른 한 명이 영상을 촬영한다. 이와 똑같은 방법으로 질량이 다른 쇠구슬을 이용하여 여러 높이에서 영상을 촬영한다. 촬영한 영상을 분석하여 자유낙하와 수평으로 던진 물체의 운동을 분석한다.
1.5. 실험 결과
실험 결과에 따르면, 자유낙하 운동과 수평으로 던진 물체의 운동을 비교한 결과 다음과 같은 내용을 알 수 있었다.
첫째, B와 C 사이의 수직 높이(H)가 81cm일 때, 자유낙하 운동을 하는 쇠구슬의 경우 높이 112cm에서 바닥까지 걸린 시간은 1.95초였다. 반면 수평으로 던진 쇠구슬의 경우 높이 80cm에서 보내는 시간은 1.2초, 높이 100cm에서는 0.7초, 높이 60cm에서는 0.3초였다. 이를 통해 같은 높이에서 자유낙하하는 물체와 수평으로 던진 물체는 동시에 지면에 도달한다는 것을 확인할 수 있었다.
둘째, B점에서 쇠구슬을 가만히 떨어뜨렸을 때 바닥에 닿는데 걸린 시간은 0.33초였다. 이는 자유낙하 운동과 수평으로 던진 물체의 운동에서 B에서 바닥까지 걸린 시간과 비슷한 것을 알 수 있었다.
따라서 이 실험을 통해 수평방향으로 던진 물체와 수직방향으로 던진 물체의 높이만 같다면 바닥까지 떨어지는데 걸리는 시간이 같다는 것을 확인할 수 있었다.
1.6. 토의 및 결론
실험 결과, 위 그림 자료에서의 A와 B사이에서 쇠구슬은 등가속도 직선 운동을 하고, B와 C 사이의 수평방향으로는 등속직선 운동을 하기 때문에 둘 사이의 속력은 같다. 또한, B에서 바닥으로 떨어질 때까지의 시간이 포물선운동을 했을 때와 자유낙하운동을 했을 때 거의 비슷한 것을 찾아볼 수 있다. 따라서 수평방향으로 던진 물체와 수직방향으로 던진 물체의 높이만 같다면 바닥까지 떨어지는데 걸리는 시간이 같다는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 자유낙하 운동과 수평으로 던진 물체의 운동을 비교한 결과, 두 운동 모두 수평 방향으로는 힘이 작용하지 않고 연직 방향으로는 중력이 작용한다는 공통점이 있음을 알 수 있다. 즉, 중력은 물체의 질량과 상관없이 같은 가속도로 작용하여 두 물체가 동시에 바닥에 도달한다는 것을 확인할 수 있다. 이는 갈릴레이의 분석과도 일치하는 결과이다.
또한 실험 결과를 바탕으로 중력가속도 g를 계산해본 결과, 근사치 10 m/s^2을 얻을 수 있었다. 이는 실제 중력가속도 9.8 m/s^2과 매우 근접한 값이다. 다만 실험 장치의 한계로 인해 완벽한 정확도를 얻지는 못했지만, 이를 통해 중력가속도의 값을 간접적으로 확인할 수 있었다.
실험을 진행하면서 분석과 실험 수행이 완벽하지 않았지만, 예상과 달리 중력가속도 근사치가 잘 나왔다는 점에서 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다. 이번 실험을 통해 자유낙하 운동과 수평 운동의 원리를 보다 깊이 이해할 수 있었으며...
