일반물리학실험 | Bungee Jump Accelerations

 

 

 

일반적으로 물체를 떨어뜨리면 물체에는 중력과 공기마찰에 의한 저항력이 작용한다. 자유낙하란 중력 이외의 이러한 저항력들이 없다는 가정하에 일어나는 이상적인 운동을 말한다. 이때의 가속도의 크기 g는 g = 9.8m/s²= 32.2ft/s²으로 일정하며 이를 중력가속도라 말한다. 번지점프를 할 때 초기에는 고무줄의 영향을 받지 않고 자유낙하를 하며 이때의 가속도는 중력 가속도 -9.8로 일정하게 유지된다.

 

하지만 번지점프의 고무줄이 늘어나기 시작하면 가속도가 변화하기 시작하고, 중력보다 탄성력이 큰 시점에서 가속도가 +가 된다. 결과적으로 가속도는 사람이 여전히 아랫방향으로 떨어지고 있음에도 불구하고 위쪽방향을 향하게 된다. 이러한 배경을 바탕으로 번지점프를 할때에 대한 운동력을 실험을 통해 알아보기로 한다.

 

본 실험에서는 번지점프를 할 때의 가속도를 조사해볼 것이다. 예를 들어, 아래 그림은 번지점프 했을 때의 시간 대 가속도 그래프이다. 점퍼가 위로 곧게 점프를 하면 점퍼는 연직 아래 방향으로 떨어진다. 그래프의 위쪽 방향이 +방향이 되는 것이다. 처음 2초 동안은 점프를 하려고 platform에 서있는 시간이다. 이 지점에서는 가속도가 0m/s²이다. 그다음의 한주기는 점퍼가 밑으로 점프를 했다가 다시 위로 튕기는 구간이다.

 

아래의 그래프의 그때의 두개의 가속도를 나타내어 준다. 2.5초와 4.5초일 때는 자유낙하하여 가속도가 거의 -9.8 m/s²가 나온다. 점퍼의 고무줄이 느슨해지면 그때부터 가속도가 바뀌기 시작한다. 고무줄이 팽팽해지면 점퍼에게 위쪽으로 힘이 작용한다. 결론적으로 점퍼는 여전히 밑으로 떨어지지만 가속도는 위쪽으로 작용을 한다. 그래서 점퍼의 고무줄이 최고로 팽팽해졌을 때 최고의 가속도 값이 나오는 것이다.

 

 

이 실험에서 추를 점퍼로 사용한다. 그리고 bungee cord 로는 고무줄을 사용한다. 가속도 센서를 함께 붙여서 모니터로 볼 수 있게 한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 노트북 뒷면의 [CH A] 포트에 센서 연결 케이블의 한쪽 끝을 연결하고, 다른 한쪽 끝을 가속도센서에 연결한다.(데스크탑을 사용할 경우 본체의 USB 포트에 인터페이스 연결 케이블의 한쪽 끝을 연결하고, 다른 한쪽 끝을 인터페이스에 연결한다. 인터페이스의 [CH A] 포트에 센서 연결 케이블의 한쪽 끝을 연결하고, 다른 한쪽 끝을 가속도센서에 연결한다.)

 

2) Excel 프로그램을 실행한다.

 

3) 메뉴의 추가기능 탭에서 [실험설정]을 클릭한 후 [채널설정]에 있는 “Excel 2007 전용 프로그램으로 실험하기”를 체크하고 [적용] 버튼을 누른다. [센서설정]에 들어가 [CH A]에 [가속도센서]가 제대로 설정이 되어있는지 확인하고 [적용] 버튼을 누른다.

 

4) [입력설정]에 들어가 측정간격(초)을 0.05초로 변경 한 후 [적용] 버튼을 누르고 [확인] 버튼을 누른다.

 

5) 그림과 같이 고무줄 4개를 길게 묶어 연결하고 한 쪽 끝은 스탠드에 연결하고 다른 한 쪽 끝에는 말굽 추 150g(100g+50g)을 연결한다. 연결된 말굽 추에 가속도센서를 테이프로 고정시킨다.(가속도 센서의 방향은 아랫방향이 +방향이 되도록 연결한다. 가속도 센서에서 전선이 이어져있는 부분이 +방향이다.)

 

 

6) [실험설정]을 클릭한 후 [센서설정]에 들어가 [CH A]의 [가속도센서]에서 [영점설정]을 클릭한 후 센서의 영점을 맞춘다. [적용] 버튼을 누르고 [확인] 버튼을 누른다. (영점설정을 할 때는 센서가 움직이지 않게 한 후 실시한다.)

 

7) 과학실험 툴바의 [차트 만들기]를 클릭하여 그래프를 그릴 준비를 한다.

 

8) 가속도센서를 연결한 말굽 추를 스탠드와의 연결부(스탠드에 고무줄이 묶인 부분)까지 올린 후 [실험하기]를 누른 다음 손을 놓는다. 말굽 추가 5～6회 정도 진동운동을 하고나면 [실험중지]를 누른다.

 

9) 출력된 그래프를 이용하여 아래의 그래프와 비교, Data table에 기록한다.

 

10) 말굽 추의 질량을 200g으로 바꾼 후 5～9 과정을 반복한다.

 

 

11) 고무줄 4개를 길게 연결한 것 2쌍을 만든다. 이 고무줄 두 겹을 200g의 말굽 추에 연결하여 5～9 과정을 반복한다.

 

 

 

[일반물리학실험]Bungee Jump Accelerations 레포트