역학적 에너지

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

놀이공원에 있는 롤러코스터 사진입니다. 가장 짜릿한 놀이기구죠.

롤러코스터는 레일을 따라 오르락 내리락하면서 빠른 속도로 운동합니다. 롤러코스터의 멋진 운동을 우리가 배운 운동에너지, 위치에너지를 적용해서 공부해보도록 합시다.

이전 내용 복습은 필수겠지요? ^^

● 일과 에너지

● 운동 에너지

● 중력에 의한 위치 에너지

*** 역학적 에너지 [mechanical energy]

'역학적 에너지'. 이번 시간에 처음 배우는 개념입니다.

역학적 에너지는 물체가 가진 운동 에너지와 위치 에너지를 합친 '물체의 전체 에너지'를 말합니다.

역학적 에너지 = 운동 에너지 + 위치 에너지

■ 역학적 에너지의 보존과 전환

공기 저항이나 마찰같이 운동을 방해하는 요소가 없는 환경에서 물체의 역학적 에너지는 항상 일정하게 보존됩니다.

또 물체가 운동을 할 때, 운동 에너지와 위치 에너지는 서로 전환될 수 있답니다.

간단한 예를 들어 쉽게 이해해봅시다.

공을 어떤 지점에서 바닥으로 떨어트립니다. 공이 떨어지기 전에는 정지하고 있기 때문에 운동 에너지는 0J, 중력에 의한 위치 에너지는 100J이라고 가정해봅시다. 여기서 기준점은 지면으로 하고, 공기 저항과 마찰이 없다고 가정할게요. 그럼 역학적 에너지는 총 100J이 되겠죠.

① 공이 떨어지기 직전

운동 에너지 0J + 위치 에너지 100J = 역학적 에너지 100J

자, 이제 공이 떨어지기 시작했다고 생각해봅시다. 공이 지면을 향해 떨어지면 운동 에너지가 늘어나겠죠? 이렇게 생긴 운동 에너지가 20J이라고 할게요.

② 공이 떨어지는 중

운동 에너지 20J + 위치 에너지 (?)J = 역학적 에너지 100J

역학적 에너지는 100J로 변하지 않고 보존이 된다고 했습니다. 그렇다면 이때 위치 에너지는 몇 J일까요?

네, 쉬운 문제죠. 바로 80J이 됩니다.

② 공이 떨어지는 중

운동 에너지 20J + 위치 에너지 80J = 역학적 에너지 100J

공이 계속 떨어져서 지면에 닿았습니다. 높이가 0m 이기 때문에 위치 에너지는 0J이 되었겠죠? 물론 역학적 에너지는 변하지 않습니다.

③ 공이 지면에 닿았을 때

운동 에너지 (?)J + 위치 에너지 0J = 역학적 에너지 100J

이때, 운동 에너지는 얼마일까요? 네, 지면에서의 운동 에너지는 100J이 됩니다.

③ 공이 지면에 닿았을 때

운동 에너지 100J + 위치 에너지 0J = 역학적 에너지 100J

이렇게 공기 저항과 마찰이 없는 환경에서 물체의 역학적 에너지는 변하지 않고 항상 일정하게 보존됩니다. 이 과정에서 운동 에너지와 위치 에너지는 서로 전환됩니다.

아래와 같이 간단한 그래프로 나타낼 수 있겠네요 ^^

■ 운동 에너지 ↔ 위치 에너지

이렇게 운동 에너지와 위치 에너지가 서로 전환되면서 역학적 에너지가 보존이 되는데요, 여기서 또 중요한 개념을 하나 짚고 넘어가도록 합시다.

물체가 떨어질 때 기준점으로부터 높이가 낮아지면 위치 에너지가 감소하겠지요. 이때, 감소한 위치 에너지 만큼 운동 에너지는 증가하게 됩니다. 반대로 물체를 위로 던져올릴 때, 물체의 높이가 높이져 위치 에너지가 증가한 만큼 운동 에너지는 감소하게 되지요. 이 개념을 간단히 정리해서 기억합시다 ^^

감소한 위치 에너지 = 증가한 운동 에너지

증가한 위치 에너지 = 감소한 운동 에너지

이 개념은 앞으로 관련 문제를 풀 때 가장 많이 사용하게 될 거에요. 꼭 기억해주세요!

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역학적 에너지의 개념을 알아보았습니다. 물체가 운동할 때, 공기의 저항이나 마찰이 없는 경우 운동 에너지와 위치 에너지가 서로 전환되고, 그로인해 역학적 에너지가 보존된다는 개념을 확실히 이해해주세요. 다음 시간에는 여러가지 문제를 통해 역학적 에너지에 대한 내용을 확실히 이해해보도록 합시다 ^^

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