물리학및실험 | 등속 원운동과 구심력

TIP

 

 

1. 등속 원운동 하는 물체에 작용하는 구심력과 원심력의 방향을 말할 수 있다.
2. 등속 원운동하는 물체의 운동 방향을 말할 수 있다.
3. 원운동하는 물체에서 원운동을 일으키는 힘을 말할 수 있다.

 

 

 

원심력

원형의 경로를 따라서 운동을 하는 입자의 양으로서, 입자를 원형의 경로에 유지하는 힘 구심력과 동일한 차원과 크기를 가지지만 방향이 반대인 힘. 바닥에 고정되어 있는 기둥에 연결된 줄의 한쪽 끝에 매달려 수평면 위를 회전하는 돌멩 이는 속도의 방향이 계속 변화하고 있으며, 따라서 기둥방향으로 가속도를 가진다.

 

이 힘 은 속력의 제곱을 줄의 길이로 나눈 값과 같은 양이다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 가속은 힘에 의해서 발생하는데, 이 경우에 힘은 줄의 장력에 해당한다. 만일 돌멩이가 일정한 속 력으로 움직이고 중력을 무시할 수 있다면 줄의 장력이 돌멩이에 작용하는 유일한 힘이다. 또한 만일 줄이 끊어지는 경우에는 관성에 의해서 돌멩이는 원형 경로의 접선방향으로 직 선운동을 하게 된다. 돌멩이를 중심에서 바깥 방향으로 날아가게 하는 것은 '원심력'에 의 한 것은 아니다.

 

뉴턴의 법칙에 따르면 원심력은 실제의 힘이 아니지만 유용한 개념이다. 예를 들어 크림 분리기와 같은 원심분리기의 동작을 분석할 때는 유체의 움직임을 지구보다는 회전하는 용기에 대해서 연구하는 것이 편리한데, 뉴턴의 법칙을 이와 같은 회전 기준계에 적용할 수 있게 하기 위해서는 구심력과 같은 크기를 갖는 관성력, 즉 가상력(원심력)을 운동방정 식에 포함시켜야 한다.

 

다시 말해서 이것은 회전하는 돌멩이의 기준계에서는 돌멩이가 정 지해 있기 때문에, 힘이 평형이 되기 위해서는 바깥 방향으로 작용하는 원심력을 운동방정 식에 반드시 포함시켜야 한다는 것이다. 원심력은 ① 회전의 속력, ② 물체의 질량, ③ 곡 선의 중심에서 물체까지의 거리, 즉 반지름을 크게 하여 증가시킬 수 있다.

 

원심력은 질량 이나 반지름에는 비례하지만 회전속력에는 제곱에 비례한다. 회전수가 분당 10회전에서 100회전으로 10배 증가하면 이에 따른 원심력은 100배 증가하게 된다. 원심력은 정상적 인 중력의 크기를 나타내는 G(엄밀하게 말하면 중력가속도)의 배수로 나타내는데, 10억G 이상의 원심력이 원심분리기를 이용하여 실험실에서 만들어지게 되었다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 세로 막대에 스프링을 끼우고 스피링의 처음 길이 를 읽는다.

2) 그 위에 추를 올려놓고 압축된 스프링의 길이 x를 읽는다.

3) mg=k(x₀-x)로부터 스프링 상수 k를 계산한다.

4) 회전추의 질량을 읽어 표에 기록한다.

5) 회전 물체를 회전 봉에 끼우고 스프링을 넣은 다음 볼트를 고정하여 회전할 때 빠지지 않도록 한다.

6) 회전 추의 초기위치 r₀를 읽어 기록한다.

7) 포토게이트 타이머를 센서에 연결한다. 포토게이트 타이머는 주기 측정 모드인 모드 3번 을 사용하여 측정한다.

8) 회전 장치의 전원을 연결하고 전압계의 조정나사를 왼쪽으로 최대한 돌려놓고 스위치를 켠다. 그리고 조정나사를 조금씩 돌려 회전하도록 한다. 이때 전류계는 최대로 고정시켜 놓는다.

9) 전압을 조금씩 높이면서 회전하는 추의 회전 반경 r과 포토게이트 타이머의 주기를 기록 한다.

10) 11V에서 20V사이에서 실험을 하고 절대로 24V를 넘지 않도록 한다.

11) 회전추를 바꾸어 위의 실험 (4～10)을 반복한다.

 

 

 

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