[동역학]롤러코스터의 동역학적 분석

소개

롤러코스터의 원리를 이해하고 동역학적인 분석을 한다

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본문내용

다들 누구나 한번쯤은 놀이동산에 가본 경험이 있을 것이다. 그리고 놀이동산에 가 본 사람이라면 놀이동산의 대명사인 롤러코스터를 타 보았을 것이다. 롤러코스터의 열차는 출발해서 천천히 가파른 경사의 오르막길을 오른다. 이때의 긴장감과 두근거림이 롤러코스터 최고의 재미가 아닐까 생각된다. 경사를 다 오른 열차는 빠른 속도로 급강하 하고 구불구불한 레일을 달리게 된다. 360도로 회전하기도 하고 꽈배기처럼 비틀려져있는 레일을 따라 회전하기도 하면서 우리의 정신을 쏙 빼놓는다. 우리가 공학도가 아니라면 이런 롤러코스터를 타고 나서 그냥 재미있다 라는 생각만 가지면 그만이겠지만 우린 공학도이기에 재밌고 신나는 그 롤러코스터에 숨어있는 과학적 원리를 알아보고 롤러코스터를 운동학적 동역학적으로 분석해 보도록 해보자.

롤러코스터는 1000m 이상이 되는 길이를 시속 70㎞ 이상의 속도로 3분여 만에 질주한다. 롤러코스터는 도르래 같이 생긴 여러 개의 바퀴가 레일 사이를 굴러가도록 함으로써 탈선이 일어나지 않도록 만들어진 엔진 없는 기차인 셈이다.

롤러코스터는 100Kw이상의 전력으로 모터나, 전동 체인에 이끌려 레일의 지상에서 일정한 높이까지 끌어올려짐으로써 상당한 위치에너지를 얻는다. 일정한 높이까지 올려 진 후에는 중력에 의해 아래로 떨어지면서 가지고 있던 위치에너지를 운동 에너지로 변화시키기 때 문에 점점 속력이 빨라진다.

바퀴와 레일 사이의 마찰을 무시한다면, 위치에너지가 감소하는 것만큼 운동에너지가 증가하고, 전체적인 역학적 에너지(운동에너지+위치에너지)는 보존된다. 이것이 에너지 보존의 법칙이다. 즉 물체가 가지고 있는 전체 에너지는 위치나 물체의 속력이 달라져도 그 전체의 합은 항상 일정하다. 그러나 실제로는 마찰이 존재해 열이나 소리의 형태로 위치에너지가 전환되므로, 운동에너지로 전환되는 에너지는 다소 작다.

참고자료

· http://physmed.snu.ac.kr
· http://www.naver.com/