당구의 역학 (2차원 충돌)

소개글

물리학 실험1 중 당구의 역학에 대한 레포트 소스이다

목차

(1) 실험의 목적과 배경
(2) 실험장치 및 방법
(3) 실험결과와 논의
(4) 결론
(5) 참고문헌

본문내용

(4) 결론

▶ 실험 A
이 실험만을 분석해 보면 운동량이 보존되는지는 알 수 없다. 어떤 경우는 보존이 된다고 볼 수도 있지만 어떤 경우는 늘어나고 또 어떤 경우는 줄어드는 등 불규칙적인 값을 가진다. 이는 실험의 오차로 볼 수 있는데 오차의 원인은 측정 시 오차가 가장 컷을 것이다. 손으로 직접 길이를 재고 각도를 잴 시 많은 오차가 생겼을 것이다.
운동에너지의 변화를 보면 역시 보존이 되지 않는다. 그러나 이러한 데이터가 운동량의 데이터와 다른 점이 있다면, 운동량의 데이터는 충돌 전후에 증가하기도 하고 감소하기도 하였으나, 운동에너지의 데이터는 충돌이 있은 후에는 항상 에너지가 감소하였다는 것이다. 물론 이를 단순히 오차라 생각할 수도 있겠으나, 이론적인 면과 결합시켜 좀 더 잘 생각해보면, 두 물체의 충돌에서 운동에너지의 아주 일부분이 다른 에너지로 전환되어 운동에너지의 총합이 감소한 것이라 생각할 수 있다.
실제로 역학적 에너지 보존은 마찰과 저항 등을 모두 무시한 상태, 즉 이론적으로만 성립하며, 현실 세계에서는 역학적 에너지의 일부가 마찰열, 소리 등으로 전환되면서 역학적 에너지 보존이 성립하지 않는다. 이 실험에서 마찰을 최대한 없애려고 공기분사를 하였지만 완전히 없애는 데는 실패하였다.

▶ 실험 B
초반 원판의 원심력으로 놋쇠판이 움직여 초반 기록은 버리고 중간기록부터 사용하였다. 이번 실험도 약간의 오차가 있었다. 실제로 실험을 하는 과정에서 실험대의 수평을 맞추는 것도 상당한 문제가 되었으며, 이론적으로는 나타나지 않는 마찰의 영향 때문인지 물체의 회전 운동도 원하는 만큼 매끄럽게 이루어지지 않았다. 그래서 그래프에서도 오차가 나타났다. 이러한 문제점은 원판의 이동 흔적에서 각 구간의 길이를 측정할 때 곡선 형태의 이동 거리를 직선으로 보아 측정한 점에 그 원인이 있다고 할 수 있다. 때문에 각 구간의 속력이 잘못 측정되어 가웃로그 그래프가 직선이 나오지 않은 것이다. 또 속력이 늘어나는 구간이 있는데 이는 수평이 맞지 않아서 일거라 생각된다. 측정 불가능하지만 전기적 스파크역서 오차의 원인이 될 수 있을 것이다. 방전기를 키지 않았을 때의 운동이 더 매끄러웠던 반면 방전기를 키고 실험했을 때는 원반이 저항력을 더 많이 받는 것을 관찰할 수 있었다. 마찰력은 속력에 비례한다는 결론은 얻을 수 있었다.
이번 실험에서 오차를 보다 작게 만들기 위해서는, 보다 완벽하게 수평이 맞게 되어있는 실험 환경이 필요할 것 같고, 매우 질량이 커서 흔들리지 않게 되어 있는 중심축이나, 보다 성능이 뛰어난 계시기 등도 실험 오차를 줄이는 데에 도움이 될 수 있을 것이라고 생각한다.

▶ 실험 C
무슨 실험을 하든 응당 따라올 수밖에 없는 마찰과 공기 저항이 운동량과 에너지를 손실시켰을 것이다. 특히 역학적 에너지 보존의 경우에는 충돌 시에 수반되는 열, 소리의 발생으로 다른 에너지의 형태로 전환되었으므로, 더욱 손실이 컸을 수밖에 없다. 따라서 이 실험의 충돌은 역학적 에너지가 보존되는, 완전 탄성 충돌이라 할 수 없다.
실험에서 철 띠의 탄성 계수를 구했으며, 이는 탄성체로서 적합한 정도이다. 탄성 계수가 지나치게 작을 경우에는 실험을 하기에 불편할뿐더러 임계치가 작아서 탄성이 깨지는 수도 많다. 너무 클 경우에는 그 압축 혹은 인장의 정도를 알아보기 힘드며 따라서 이 철 띠의 탄성 계수는 적절하다.
탄성 포텐셜 에너지를 포함한 에너지의 보존에서도, 탄성체가 압축될 때 열과 소리 에너지로 전환되며 여러 요인들이 산재해 있으므로, 완전히 보존된다고 할 수 없다.
마지막으로 Semi-log 그래프를 통해 얻은 마찰 계수는 이 원판의 마찰이 즉 를 만족시킴을 알 수 있다. Fitting된 곡선에 데이터가 상당히 일치하거니와, 그 형태가 같다. 마찰 계수로 얻은 값 역시 적절한 선이다.

참고 자료

1. 물리실험 홈페이지( http://physlab.snu.ac.kr/newphyslab/index.htm )