P.R.I

오늘은 계란 낙하의 원리를 알아보고 계란 낙하 실험 장치를 만들어 보았습니다.

(아래에 추가 설명 있습니다.)

계란 낙하 실험이란?

빨대, 젓가락, 수수깡, 풍선등 재료들을 이용하여 계란을 보호하는 구조물을 만들어 지상에 낙하시켰을 때 계란이 깨지지 않도록 하는 실험입니다.

계란 낙하 실험 응용 원리

1) 충격량

달걀 낙하 실험은 자동차 에어백 실험과 같습니다.

자동차 전면 충돌 시 에어백이 터지지 않으면 탑승하던 마네킹이 박살나고, 에어백이 터지면 목 부분이 크게 흔들리지만 파손까지는 가지 않습니다.

이는 충격량으로 설명 가능합니다.

I = F × t, 충격량은 힘 곱하기 시간입니다.

물체가 부딪힐 때 충격량은 일정하므로, 우리가 원하는건 F(힘)를 최대한 낮춰서 사람 및 달걀을 보호하는 겁니다. 

따라서, t(접촉 시간)를 최대한 늘려주면 됩니다.

2) 자유낙하

지구 중심에 가까울수록 지구가 물체를 잡아당기는 만유인력이 커지므로, 중력은 엄밀히 말해 일정한 크기의 힘이라고 할 수 없다. 하지만 지구 표면 근처에서 물체가 낙하한다면 지구의 반지름에 비해 이동거리가 매우 짧으므로 중력의 크기 변화를 무시할 수 있다. 그러므로 나무에서 떨어지는 사과와 같은 물체는 일정한 크기의 중력을 받으며 지면을 향해 떨어진다. 공기저항을 무시하면 물체는 지면을 향해 등가속도 직선운동을 한다.

3) 역학적 에너지 전환

역학적 에너지는 물체의 속력에 따라 결정되는 운동에너지와 물체의 위치에 따라 결정되는 위치에너지의 합으로 이루어진다. 외부의 물리적 작용이 없을 때 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하게 유지된다. 구조물을 낙하 했을 시에 위치에너지가 최대 이고 ,운동에너지는 최소이다. 

높이가 낮아질수록 속력은 증가하므로 위치에너지는 감소하고, 운동에너지는 증가한다. 

반대로, 1층에서 정보관 8층을 향해 구조물을 던졌을 시는 위치에너지가 최소이고, 운동에너지가 최대이다. 높이가 높아지면 속력이 감소하므로 위치에너지는 증가하고 , 운동에너지는 감소한다. 이렇게 위치에너지가 증가하면 운동에너지가 감소하고, 운동에너지가 증가하면 위치에너지가 감소하는 것을 역학적 에너지의 전환이라고 한다.

4) 역학적 에너지의 보존

역학적 에너지가 서로 전환될 때, 마찰이나 공기의 저항 등으로 손실되는 에너지가 없다면 감소하는 양과 증가하는 양은 항상 같다. 따라서 물체가 가지는 위치에너지와 운동에너지의 합인 역학적 에너지는 일정하게 유지되는데, 이를 역학적 에너지 보존법칙이라 한다.

ex) 계란 낙하 구조물. 지면에서 위치에너지는 0, 운동에너지는 T라고 하고, 최고 높이에서 위치에너지는 V, 운동에너지는 0이라고 하자. 

이때 역학적 에너지 보존에 의해 T와 V는 같다. 

즉, 지면에서 운동에너지의 형태인 역학적 에너지가 높이가 높아지면서 점점 위치에너지로 형태를 바꾸어 최고 높이에서는 모두 위치에너지가 된 것이다.

만약 구조물에 공기저항이 발생한다면 역학적 에너지의 일부가 운동에너지에서 위치에너지로 바뀌다가 다시 위치에너지로 바뀌면서 끊임없이 변하면서 낙하한다. 그러므로 역학적 에너지가 보존되지 않는다. 

하지만 이렇게 끊임없이 변하여도 결국엔 에너지와, 위치에너지의 총량은 일정하게 유지된다. 어차피 높이가 똑같은 곳에서 계속 낙하하기 때문이다. 이렇게 역학적 에너지가 보존되지 않을 때에도 에너지의 총량은 일정하게 유지된다. 그러므로 외부적 영향을 거의 받지 않으므로 구조물이 5층 높이에서 땅으로 도착했을 경우 충격량을 최소화해야 한다.

(실험 방법, 주의사항 ppt 내용 참고)