An’s Physics Lecture 시뮬레이터

MECHANICS · EXPERIMENT

2차원 충돌

비스듬히 부딪친 두 공, 바닥의 자국으로 운동량을 잰다.

시작 대기
t0.000 s
충돌 전 속력v_1
2.05m/s
낙하 시간(t = √(2h/g))
0.404s
입사구 각도θ₁
60.0°
표적구 각도θ₂
30.0°
θ₁ + θ₂
90.0°설정으로 계산한 값
종이 위 자국r (cm)θ (°)v (m/s)p_xp_yE_k (mJ)

운동량 벡터 확인 m r

모델 · 조작법

무엇을 흉내 내는가

강의의 2차원 충돌 실험 장치이다. 입사구(질량 m_1)를 경사로의 기준점(경사로 끝보다 H 높은 곳)에서 가만히 놓으면, 공이 굴러 내려와 수평인 경사로 끝을 떠나면서 받침대 위의 표적구(질량 m_2)와 부딪친다. 두 공은 같은 높이 h(공 아랫면 ~ 바닥)에서 수평으로 떠나 바닥에 깔린 종이와 먹지에 자국을 남긴다.

v_1=\sqrt{\frac{2gH}{1+k}},\qquad t=\sqrt{\frac{2h}{g}},\qquad r=vt

k는 회전 운동 에너지의 비율이다. 공이 미끄러지지 않고 구르면(속이 찬 공, 한 줄 레일 가정) k=\frac{2}{5}, 마찰 없이 미끄러지면 k=0이다. 두 공은 반지름이 같은 매끄러운 공으로 보고, 충돌하는 동안 힘은 두 중심을 잇는 방향으로만 작용한다(반발 계수 e). 표적구를 옆으로 b만큼 비켜 놓으면 \sin\theta_2=\frac{b}{2R}인 방향으로 표적구가 튀어 나간다. 공기 저항, 경사로 끝과 표적구 사이의 아주 짧은 낙하, 충돌 뒤 공의 회전이 미치는 영향은 무시한다.

화면 읽기

왼쪽은 장치를 옆에서 본 모습, 오른쪽은 바닥 종이를 위에서 내려다본 모습이다. 두 그림은 같은 축척(1 m의 화면 길이)이라 거리를 바로 비교할 수 있다. 공이 너무 작게 보일 때는 공만 실제보다 크게 그리고 화면 위쪽에 그 사실을 적는다. 종이 위 × 하나가 한 번의 자국이고, 같은 종류 자국들의 중심을 원으로 표시한다. O_1은 충돌 순간 입사구 중심 바로 아래(경사로 끝), O_2는 수직추가 가리키는 표적구의 처음 위치이다. 왼쪽 위 확대 그림에서 b, 2R, \theta_2의 관계를 읽는다.

조작

옆 그림에서 입사구를 끌어 경사로 위 원하는 높이에 두고 놓으면 실험이 시작된다. ‘굴리기’ 버튼이나 화면 선택 후 Enter로도 놓을 수 있고, ‘3회 빠르게’는 애니메이션 없이 세 번의 자국을 남긴다. [실험 1]은 표적구 없이 입사구만 굴려 P_1을 기록하고, [실험 2]는 충돌시켜 P_1', P_2'를 기록한다. ‘실험 오차 흉내’를 켜면 놓는 높이·방향·자국 읽기에 작은 흔들림이 생겨 자국이 흩어진다. 장치나 공의 값을 바꾸면 이전 자국은 다른 조건의 기록이므로 종이를 비운다.

측정과 계산

아래 표는 종이의 자국만으로 구한 값이다. 학생이 자와 각도기로 하듯 O_1에서 P_1, P_1'까지, O_2에서 P_2'까지의 거리와 처음 방향(O_1P_1)에 대한 각도를 재고, v=\frac{r}{t}로 속력을, p=mv와 E_\mathrm{k}=\frac{1}{2}mv^2를 계산한다. 운동량의 단위는 \mathrm{g\,m/s}이다. 오른쪽 그림은 m\vec{r} 화살표로 운동량 보존을 확인한다. 위쪽 계측 칸의 각도는 설정으로 계산한 이론값이다.

키보드

Space 굴리기 / 일시정지 · → 정지 중 한 단계 · ↑↓ 기준점 높이(화면 선택 시) · Enter 놓기
R 종이 비우기 · F 집중 모드 · Esc 창 / 집중 모드 닫기

공부하기

강의 「2차원 충돌 실험」의 흐름을 따라 정리했다. 각 주제의 해 보기를 따라 하면 화면에서 직접 확인할 수 있다.

1. 운동량은 성분별로 보존된다

충돌하는 짧은 시간 동안 두 공이 주고받는 힘은 크기가 같고 방향이 반대이며, 다른 수평 방향 힘은 거의 없다. 그래서 수평면에서 운동량의 x 성분과 y 성분이 각각 보존된다. 표적구는 처음에 정지해 있고, 입사구는 x 방향으로 들어온다.

x 성분m_1v_1=m_1v_1'\cos\theta_1+m_2v_2'\cos\theta_2
y 성분0=m_1v_1'\sin\theta_1-m_2v_2'\sin\theta_2

해 보기 [실험 1]을 한 번, [실험 2]를 한 번 굴린 뒤 표의 ‘충돌 후 합’과 ‘충돌 전과의 차이’를 읽는다. 오차 흉내를 끄면 p_x 차이와 p_y 합이 모두 0에 가깝다.

2. 같은 높이에서 수평으로 떠나면 낙하 시간이 같다

두 공은 같은 높이 h에서 수평으로 떠난다. 연직 방향은 처음 속도 0인 자유 낙하, 수평 방향은 등속이므로 떨어지는 시간은 h만으로 정해진다. 그래서 속력계 없이 바닥의 거리 r만 재면 속력을 구할 수 있다.

t=\sqrt{\frac{2h}{g}},\qquad v=\frac{r}{t}=r\sqrt{\frac{g}{2h}}

해 보기 옆 그림에서 두 공이 같은 시각에 같은 높이에 있는지 한 단계씩 보며 확인한다. h=80\,\mathrm{cm}이면 t\approx0.404\,\mathrm{s}이다. 받침대 높이를 바꾸면 거리는 바뀌지만 v=\frac{r}{t}는 그대로이다.

3. [실험 1] 굴러 내려온 공의 속력과 에너지

표적구를 치우고 입사구만 굴리면 r_1에서 충돌 전 속력 v_1을 얻는다. 공이 미끄러지지 않고 구르면 위치 에너지의 일부가 회전 운동 에너지가 되므로, 수평으로 움직이는 운동 에너지는 m_1gH보다 작다.

m_1gH=\frac{1}{2}m_1v_1^2+\frac{1}{5}m_1v_1^2\quad\Rightarrow\quad E_1=\frac{1}{2}m_1v_1^2=\frac{5}{7}m_1gH

해 보기 H=30\,\mathrm{cm}로 [실험 1]을 하면 r_1\approx82.8\,\mathrm{cm}, v_1\approx2.05\,\mathrm{m/s}이고 표 아래에 E_1이 m_1gH의 약 71\%라고 나온다. ‘미끄러져 내려옴’으로 바꾸면 r_1\approx98.0\,\mathrm{cm}, 100\%가 된다.

4. 비켜 놓은 거리가 충돌 각도를 정한다

충돌 순간 두 공의 중심 사이 거리는 2R이고, 매끄러운 공 사이의 힘은 중심을 잇는 방향으로 작용한다. 그래서 표적구는 그 방향으로 튀어 나가며, 그 각도는 표적구를 옆으로 비켜 놓은 거리 b로 정해진다.

\sin\theta_2=\frac{b}{2R}

b=0이면 정면 충돌(1차원), b=R이면 \theta_2=30^\circ, b가 2R에 가까우면 스치기만 해서 표적구가 거의 움직이지 않는다.

해 보기 확대 그림을 보며 b를 0, 6.3\,\mathrm{mm}, 12.5\,\mathrm{mm}, 25\,\mathrm{mm}로 바꾼다(R=12.5\,\mathrm{mm}). 계측 칸의 \theta_2가 0^\circ, 14.6^\circ, 30^\circ, 90^\circ가 된다.

5. 같은 질량의 탄성 충돌: \theta_1+\theta_2=90^\circ

m_1=m_2이면 운동량 보존은 \vec{v}_1=\vec{v}_1'+\vec{v}_2'이고, 탄성 충돌이면 v_1^2=v_1'^2+v_2'^2이다. 세 벡터가 만드는 삼각형이 피타고라스 정리를 만족하므로 \vec{v}_1'과 \vec{v}_2'는 서로 수직이다. 정면 충돌이면 입사구가 멈추고 표적구가 v_1로 나간다.

\vec{v}_1=\vec{v}_1'+\vec{v}_2',\qquad v_1^2=v_1'^2+v_2'^2\quad\Rightarrow\quad\theta_1+\theta_2=90^\circ

해 보기 기본값(b=R)으로 [실험 2]를 하면 \theta_1=60^\circ, \theta_2=30^\circ, r_1'\approx41.4\,\mathrm{cm}, r_2'\approx71.7\,\mathrm{cm}이다. b=0으로 바꾸면 P_1'이 O_1에 찍힌다.

6. 질량과 반발 계수를 바꾸면

표적구가 더 무거우면 입사구가 더 크게 꺾이고, 정면 충돌에서 m_2>m_1이면 입사구가 되튀어 경사로 쪽으로 돌아간다(실제 실험에서는 기록하기 어렵다). 반발 계수 e<1이면 운동 에너지가 줄고, 같은 질량에서도 \theta_1+\theta_2가 90^\circ보다 작아진다. 운동량은 어느 경우에도 보존된다.

v_{2}'=\frac{(1+e)\,m_1}{m_1+m_2}\,v_1\cos\theta_2

해 보기 e=0.80으로 바꾸면 \theta_1+\theta_2\approx80^\circ이고, 표의 운동 에너지 차이가 음수가 된다. m_2=40\,\mathrm{g}, b=0이면 입사구가 되튄다는 알림이 나온다.

7. 거리 벡터로 운동량 보존을 확인한다

모든 공의 낙하 시간 t가 같으므로 m\vec{v}=\frac{m\vec{r}}{t}에서 t를 약분할 수 있다. 그래서 종이 위에서 m\vec{r} 화살표를 이어 그려 닫힌 삼각형이 되는지로 운동량 보존을 확인한다. 탄성 충돌이면 거리의 제곱으로 에너지 보존도 확인할 수 있다.

운동량m_1\vec{r}_1=m_1\vec{r}_1'+m_2\vec{r}_2'
탄성 충돌의 에너지m_1r_1^2=m_1r_1'^2+m_2r_2'^2

해 보기 표 오른쪽 그림에서 회색 m_1\vec{r}_1과, 주황 m_1\vec{r}_1' 끝에 청록 m_2\vec{r}_2'를 이은 화살표의 끝이 만나는지 본다. 오차 흉내를 켜고 여러 번 굴리면 끝이 조금 벌어진다.

8. 거리를 재는 기준점은 두 개이다

표적구의 처음 위치 O_2는 수직추로 찍는다. 충돌 순간 입사구의 중심은 O_2에서 표적구가 나가는 방향의 반대쪽으로 2R 떨어진 O_1에 있다. 그래서 r_1, r_1', \theta_1은 O_1에서, r_2', \theta_2는 O_2에서 재야 한다. 두 기준점을 하나로 보면 r_2'와 \theta_2에 오차가 생긴다.

해 보기 공 반지름 R을 키우고 확대 그림에서 O_1과 O_2 사이가 2R임을 확인한다. 종이 그림의 O_1, O_2 표시도 함께 움직인다.

9. 반복과 오차: ‘얼마나 보존되는가’

실제 실험에서는 놓는 높이, 방향, 받침대 위치, 자국 읽기가 매번 조금씩 다르므로 자국이 흩어진다. 그래서 3회 이상 굴려 자국 무리의 중심을 쓰고, 흩어진 폭을 측정의 불확실성으로 본다. 결론은 ‘보존된다/안 된다’가 아니라 ‘어느 정도의 오차 안에서 보존되는가’로 쓴다. 실제 공은 구르면서 회전 운동 에너지를 가지고 경사로와 받침대에서 마찰을 받으므로, 운동 에너지 보존은 운동량 보존보다 덜 정확하게 확인된다.

해 보기 ‘실험 오차 흉내’를 켜고 [실험 1]과 [실험 2]를 각각 ‘3회 빠르게’로 굴린다. 자국의 흩어진 폭(약 1\sim2\,\mathrm{cm})과 표의 차이(%)를 비교해 측정 오차 안에서 보존되었는지 판단한다.