[물리학]롤러코스터 분석(운동학, 동역학)

소개글

놀이공원의 하이라이트인 롤러코스터(예, 후렌치레볼루션)에 대해 분석하여, 운동학적이고 동역학적인 관점에서 쉽게 풀어 해석해 보았다.

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본문내용

롤러코스터는 모터에 의해서 지상에서 일정한 높이로 끌어올려져서 거기서 얻은 위치에너지(Potential Energy)가 중력에 의해 밑으로 하강함으로써 얻어지는 운동에너지(Kinetic Energy)로 변화되는 원리를 적용한 기구입니다. 차의 바퀴와 레일과의 마찰을 무시한다고 가정하면, <위치에너지 감소량 = 운동에너지 증가량> 이 되어 역학적 에너지는 보존됩니다. 하지만 실제적으로는 마찰이 있고, 그로 인해 위치에너지의 일부가 소리에너지와 열에너지의 형태로 빠져나가버리므로 실제 운동에너지는 좀 더 작은 값을 가지게 됩니다.

롤러코스트를 보고 있으면, 왜 거꾸로 원운동을 하는데도 사람들이 떨어지지 않고 안전할까? 하는 의문을 한번쯤은 가져봤을 것입니다.
그것은 우리가 양동이를 끈으로 묶어서 돌리는 것으로 설명을 할 수 있는데, 흔히들 말하는 원심력(가상력)의 작용입니다. 양동이를 나를 중심축으로 원운동 시켰을 때 , 접선방향으로 튀어 나가지 않고 계속 원운동을 유지합니다. 그것은 바로 원운동의 중심방향으로 어떤 힘이 작용했다는 것인데 여기서 우리는 힘의 작용방향을 유추할 수 있습니다. 원운동에서 물체에 작용하는 힘의 방향은 원의 중심입니다. 즉 원의 중심방향으로 작용하는 구심력이 원의 접선방향으로 날아가려는 양동이의 운동을 일정한 원운동으로 만들어 주는 것입니다.

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