1-4D1. 선운동량 보존
(Conservation of Linear Momentum)
(Last Updated 2010/3/23)
다음의 2가지 장난감은 과거 운동량보존의 대표적 실험인 에어트랙(Air Track) 장비를 설치하는 번거로움이나 소음없이 선운동량 보존(Conservation of linear Momentum)을 간단하게 볼 수 있는 장치들이다.
 (1) 뉴튼 요람(Newton's Cradle)
장식용으로도 많이 사용되는 뉴튼 요람은 한쪽 n개 구의 진동에 대해 반대쪽이 대칭적인 진동을 하며 비교적 지속적이어서 운동량보존 및 에너지보존 상태를 직관적으로 관찰해 볼 수 있는 장치이다.
[실험방법]
좌우 흔들림이 없이 일직선상에서 구가 충돌하도록 왼쪽 또는 오른쪽으로부터 구를 1개, 2개, 3개, 4개의 순으로 보내며 움직임을 관찰한다. 또 좌우에서 동시에 같은 갯수의 구, 또는 다른갯수의 구를 보내며 충돌하는 양상을 관찰해보자.
(2) 다중충돌 가속기(Astro-Blaster, Multiple Collision Accelerator)
 유명한 천체물리학자 스터링 콜케이트(Stirling Colgate)는 Astro-Blaster는 초신성의 무시무시한 운동에너지의 생성원리를 보여준다고 말한다.
다중충돌가속기(Astro-Blaster)는 초신성(Supernova)이 생성되는 동안 운동량과 에너지보존의 법칙을 잘 보여준다.(핵연료를 다 써 버린 늙은별은 1초 보다 작은 순간에 스스로 붕괴해 버린다) 붕괴된 물질을 통한 중심으로부터 바깥쪽으로의 충격파의 속도는 밀도가 덜한 표면측으로 갈수록 빠르게 움직인다. 이러한 충격파는 붕괴된 별의 얇은 표면층을 상대론적 속도로 가속시키고 우리은하 도처에 분포된 우주선(cosmic rays)을 만들어낸다.
죽어가는 별의 중력적 붕괴는 블러스터가 바닥표면으로 떨어지는 것에 비유되고 별 내부로부터 바깥쪽으로 가속되는 충격파는 블러스터 상단의 가벼운 볼에의해 느껴지는 충격과 튀어 오름에 비교된다. 초신성의 폭발과 우주선의 방출은 상단의 작은 고무공이 고속으로 튕겨날아가는 것으로 생각될 수 있다.
[실험방법]
보안경을 끼고 다중충돌가속기의 상단을 잡은 다음, 허리정도의 높이에서 수직방향으로 바닥에 정확하게 떨어뜨리고 튀어오르는 공의 양상을 관찰한다.
얼핏보면 튀어오르는 공은 떨어지기 전의 초기높이보다 더 높이 튀어오를 수 없다는 우리의 상식을 깨는 이런 현상은 매우 신기하기까지하다. 운동량 보존과 에너지 보존법칙을 이용하여 이러한 되튐현상을 물리적으로 설명해보자.
[Hint]
문제를 단순화하기위해 2개의 공이 튕길때 공은 완전탄성충돌한다고 가정하고 초기낙하 높이는 공의 직경에 비해 매우 크다고 가정한다. 하단의 큰 공이 바닥에서 충돌 후 정지될 조건은 무엇이겠는가? 또, 이 경우 상단의 작은 공은 초기높이보다 얼마나 더 높이 올라가겠는가?
[참고]
(1) 공이 사방으로 튀어 흩어지는 혼란을 방지하기위해 편의상 제일 밑의 큰공은 중앙 홀더막대에 고정되어 있으며 밑에서 2,3번째 공은 어느정도 유격을 주어 움직이지만 튀어 올라가지 못하도록 되어있고 상단의 제일 작은 공은 자유롭게 막대를 벗어날 수 있도록 고안되어있다.
(2) 고무공의 질량(직경)
M1= 66g (48㎜), M2= 30g (37㎜), M3= 10g (25.5㎜), M4= 3.8g (21㎜) |
[주의]
세차게 튀어오르는 공에 얼굴이 부딪치거나 천정 형광등에 부딪치지 않도록 주의하고 되튐을 보여주는 최상단의 작은 공(빨강색)은 분실하기 쉬우므로 주의한다. |
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실험실소개
국제캠퍼스
