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MECHANICS · 011

포물선 운동

같은 출발 조건에서, 성분 운동과 에너지·공기 저항을 비교하세요.

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각 행에 설정과 관측 시각을 함께 보존합니다. 최대 8개.

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예측 → 조건 설정 → 관찰 → 기록 → 한 조건만 바꿔 비교하세요. 예제 불러오기는 현재 기록을 비우고 재현 가능한 정지 상태를 만듭니다.

01 · 수평·수직 운동의 독립성

중력은 수직 속도만 바꿉니다. 같은 높이에서 동시에 떨어뜨린 물체와 수평으로 던진 물체는 무저항일 때 함께 착지합니다.

x=v_0\cos\theta\,t,\qquad y=h+v_0\sin\theta\,t-\frac{1}{2}gt^2
해 보기

높이 20 m, 수평 속력 10 m/s로 불러온 뒤 끝으로 이동해 기록하세요. 속력만 20 m/s로 바꾸어 다시 기록하세요.

예상 결과. 비행시간은 두 경우 모두 2.00 s, 도달 거리는 각각 20.00 m와 40.00 m입니다.

비교 질문. 수평 속력이 두 배여도 낙하 시간이 변하지 않는 이유를 가속도의 방향으로 설명해 보세요.

모델의 한계. 공기 저항이 있으면 속력에 따라 수직 항력도 달라져 이 비교가 그대로 성립하지 않습니다.

02 · 최고점에서도 물체는 움직인다

최고점은 수직 속도가 0인 순간이지 속도 전체나 가속도가 0인 순간이 아닙니다.

t_\mathrm{top}=\frac{v_0\sin\theta}{g},\qquad H=h+\frac{v_0^2\sin^2\theta}{2g}
해 보기

20 m/s, 30°, g=10으로 최고점을 불러옵니다. 속도·가속도와 성분을 켜고, 각도를 90°로 바꾸어 비교하세요.

예상 결과. t=1.00 s, 높이 5.00 m, 수평 속도 17.32 m/s, 수직 속도 0입니다.

비교 질문. 90° 발사의 최고점에서는 속도가 0인데도 왜 다시 떨어질까요?

모델의 한계. 각도가 90°일 때의 0에 가까운 수평 성분은 부동소수점 잔류일 수 있습니다.

03 · 같은 사거리를 만드는 두 각도

출발과 착지 높이가 같으면 30°와 60°는 사거리는 같지만 체공 시간과 높이는 다릅니다.

R=\frac{v_0^2\sin 2\theta}{g}
해 보기

30° 결과를 기록한 뒤 각도만 60°로 바꿔 끝에서 기록하세요. 비교 궤적과 시간 값을 함께 보세요.

예상 결과. 두 사거리는 34.64 m입니다. 비행시간은 2.00 s와 3.46 s, 최고 높이는 5.00 m와 15.00 m입니다.

비교 질문. 멀리 가는 것과 오래 떠 있는 것은 같은 조건을 요구할까요?

모델의 한계. 높이가 다르거나 공기 저항이 있으면 보각 관계는 깨집니다.

04 · 45°가 항상 최적인가

높은 곳에서 발사하면 아래로 떨어지는 시간이 추가되므로 최대 사거리 각도가 45°보다 작아집니다.

\tan\theta_\mathrm{opt}=\frac{v_0}{\sqrt{v_0^2+2gh}}
해 보기

높이 20 m, 속력 20 m/s에서 35.3°와 45°를 각각 기록해 비교하세요. 이후 높이를 0으로 바꾸세요.

예상 결과. 최적각은 약 35.26°, 최대 사거리는 약 56.57 m입니다. 45°에서는 약 54.64 m입니다.

비교 질문. 높이가 커질수록 최적각은 어떤 방향으로 변할까요?

모델의 한계. 입력 간격은 0.1°이므로 이론적 최적각에 가장 가까운 설정을 비교합니다.

05 · 중력이 바뀌면 시간과 거리는

같은 초기 속도에서 중력이 약해지면 수직 속도가 더 천천히 줄어듭니다.

R\propto\frac{1}{g},\qquad t_\mathrm{f}\propto\frac{1}{g}\quad(h=0)
해 보기

20 m/s, 45°에서 g=10과 g=5를 차례로 기록하세요. 두 궤적의 축척을 함께 확인하세요.

예상 결과. g가 절반이면 사거리는 40→80 m, 비행시간은 2.83→5.66 s로 두 배가 됩니다.

비교 질문. 출발 높이가 0이 아닐 때도 비행시간이 정확히 두 배일까요?

모델의 한계. 실제 천체에서는 대기·곡률도 다릅니다. 여기서는 g만 바꾼 통제 실험입니다.

06 · 역학적 에너지의 이동

공이 올라갈 때 운동 에너지는 줄고 위치 에너지는 늘어납니다. 무저항에서는 두 값의 합이 일정합니다.

K=\frac{1}{2}mv^2,\qquad U=mgy,\qquad E=K+U
해 보기

질량 1 kg, 속력 20 m/s, 30°를 불러와 에너지 그래프를 보세요. 최고점과 착지 직전 값을 기록하세요.

예상 결과. 전체 에너지는 200 J, 최고점에서는 K=150 J, U=50 J입니다.

비교 질문. 같은 높이에서 상승할 때와 하강할 때 속력은 왜 같을까요?

모델의 한계. 착지 뒤 튀어 오름이나 충돌 손실은 계산하지 않습니다. 마지막 속도는 착지 직전입니다.

07 · 공기 저항이 만드는 비대칭

항력은 순간 속도의 반대 방향이며 속력의 제곱에 비례합니다. 수평 속도도 더 이상 일정하지 않습니다.

\vec F_\mathrm{d}=-\frac{1}{2}\rho C_\mathrm{d}A\,v\vec v
해 보기

축구공, 30 m/s, 45°에서 무저항 결과를 기록하세요. 공기 저항을 켜고 같은 조건을 다시 기록하세요.

예상 결과. 무저항 사거리는 90 m입니다. 저항이 있으면 사거리와 최고 높이가 줄고 역학적 에너지도 감소합니다.

비교 질문. 내려올 때도 항력은 아래쪽일까요? 속도 벡터와 비교하세요.

모델의 한계. 항력 계수는 일정한 근사이며 실제 공의 회전·표면·속도 의존성은 포함하지 않습니다.

08 · 질량과 단면적을 분리해서 비교하기

같은 공 모양에서 질량이 클수록 항력에 의한 감속은 작습니다. 진공에서는 질량이 궤적을 바꾸지 않습니다.

a_\mathrm{d}=\frac{\rho C_\mathrm{d}\pi r^2v^2}{2m}
해 보기

저항을 켠 상태에서 질량 0.5 kg을 기록하고, 반지름을 유지한 채 질량만 1 kg으로 바꿔 기록하세요. 다음에는 질량을 고정하고 반지름을 바꾸세요.

예상 결과. 출발 순간의 항력 감속은 질량이 두 배면 절반, 반지름이 두 배면 네 배입니다. 전체 사거리는 단순히 같은 비율로 변하지 않습니다.

비교 질문. 공 종류 프리셋만 바꾸면 어떤 변인들이 동시에 바뀌어 원인 분석이 어려워질까요?

모델의 한계. 질량과 반지름의 독립 변경은 비교 실험용이며 특정 실제 공을 반드시 뜻하지 않습니다.

모델 · 조작법

물리 모델과 단위

질점에 일정한 아래 방향 중력을 적용합니다. 무저항은 해석식, 공기 저항은 최대 0.01초 RK4로 계산하며 강한 항력에서는 속도 완화 시간에 맞춰 더 작게 나누고 지면 통과는 시간 이분법으로 찾습니다. 공기 밀도는 1.225 kg/m³이며 회전·양력·바람·부력은 생략합니다. 공의 화면 크기는 과장되어 있습니다. 전체 도달 거리와 비행시간은 끝까지 계산한 예측값이며, 현재 위치·속도와 구별합니다. 에너지는 질량을 포함한 J 단위, 지면을 위치 에너지 0으로 사용합니다. 궤적은 미래까지 계산한 이론 경로입니다.

조건·시간·기록

설정을 바꾸면 현재 시간은 0으로 돌아가고 정지합니다. 기존 기록은 당시 설정과 함께 유지됩니다. 처음으로는 설정·기록을 유지하며 시간만 0으로, 전체 초기화는 설정·보기·기록까지 기본값으로 돌립니다. 공부하기의 예제는 기록도 비워 이전 실험에 영향을 받지 않습니다. 기록은 이 브라우저 탭 안에서 최대 8개이며 새로고침하면 사라집니다. CSV로 보관할 수 있습니다.

시각 직접 입력·탐색 막대·그래프 클릭은 같은 모델 상태로 이동하며 정지합니다. 그래프는 현재 조건의 계산 경로 전체를 보여 주고 세로선은 현재 시각입니다. 숨겨진 탭에서는 시계를 멈추며 돌아와도 시간을 건너뛰지 않습니다. 재생 배율의 1×는 1 s/실제 초입니다.

조작과 접근성

Space 재생/정지, → 정지 중 한 단계, R 처음으로, F 집중 모드, Esc 대화상자·집중 모드 종료. 입력칸에서는 브라우저 기본 키 동작을 유지합니다. 한 손가락으로 실제 손잡이를 잡을 때만 드래그하고, 빈 곳 스크롤과 두 손가락 확대는 허용합니다.