일상생활 속에 작용하고 있는 놀라운 힘을 이해하기 위해 속도와 가속도 질량과 무게의 차이, 중력 가속도에 대한 이해와 낙하하는 빗방울을 예시로 시간의 변화에 대한 낙하속도와 실제 공기저항과의 균형을 이룬 종속도를 이해합니다.
중력 가속도
속도 (velocity, speed)
| 시간에 따라 거리가 변함 v = 거리를 시간으로 나눔 |
물체가 시간에 따라 위치가 변화한 변위(거리)를 시간으로 나눈 값으로, [ 100m/s ]는 실제 측정해 보니 500m를 이동하는데 5초의 시간이 변했다고 한다면, 500m를 5초로 나누어 [ 500m ÷ 5s = 100m/s ]라고 표기합니다. 즉 '1초당 100m를 이동한다.'라고 하거나 '100m를 1초에 간다.'라고 말하며 [ 100 미터 퍼 세크 ]라고 읽습니다. 속도 (velocity)를 뜻하는 [ v ]로 나타내며 일상생활에서는 100km/hr (시간당 100킬로미터) 를 많이 씁니다.
가속도 (acceleration)
| 시간에 따라 속도가 변함 a = 속도 변화를 시간으로 나눔 |
물체가 시간에 따라 '위치'가 변하는것을 속도라고 했다면, 시간에 따라 '속도'가 변하는 값을 시간으로 나눈 값입니다.
[ 100 ㎨ ]는 실제 측정해 보니 처음에 100 m/s의 속도로 이동했는데 5초 후에 600 m/s로 이동했는 것으로 측정되었습니다. [ (600㎧ - 100㎧) ÷ 5s = 500㎧ ÷ 5s = 100 ㎨ ] 라고 표기합니다. 즉 '1초당 100㎧의 속도가 증가 한다.'라고합니다. 이렇게 속도가 얼마나 변하는 지를 측정한 값을 가속도라고 합니다. 가속도 (acceleration)를 뜻하는 [a]로 나타내며 일상생활에서 제일 많이 쓰이는 것은 9.8㎨이 많이 쓰입니다.
질량과 무게의 차이
| 구 분 | 100g인 물 체 |
| 질 량 | 물체의 고유한 값 ( 변하지 않음 = 100g ) |
| 무 게 | 중력이 작용할때의 값 (변함, 무중력에서는 = 0g ) |
질량은 물체가 가지고 있는 고유한 양(숫자로 표현되는)으로 기호 m으로 표현되며, 우주 어디에서나 항상 일정 하 고유한 값을 가집니다. 반면 무게는 중력이 작용할 때의 값으로 물체가 존재하는 공간적 위치에 따라 값이 변화합니다. 즉 무게는 지구의 중력이 작용할 때와 달의 중력이 작용할 때의 값이 같지 않습니다. 따라서 무중력(중력이 없는 우주공간) 상태에서의 값은 0입니다.
중력 가속도 (gravity, gravitation)
| 지구가 당기는 힘(중력)으로 인한 가속도 값 g= 9.80665 ㎨ |
가속도중 중력으로 인하여 발생하는 가속도를 중력 가속도라고 합니다. 여기서 중력이란 공간상의 두 질량이 있는 물체 사이에 작용하는 서로 당기는 힘을 의미하며, 크기는 질량의 크기에 비례하고 일반적은 두 질량이 있는 물체 중 하나를 지구라고 정의합니다. 즉 지구 상의 물체와 지구와의 사이에 작용하는 인력을 중력이라고 합니다.
일반적으로 말하는 중력은 지구와의 사이에서 작용하는 인력이라고 했으며 방향은 지구 중심을 향합니다. 지구위의 물체는 지구중심을 향해 끌려가는 인력이 작용하여, 지구가 회전하더라도 지구 밖으로 튕겨나가지 않게 됩니다. 위로 던진 공이 아래로 떨어지는 것도 중력이 당기고 있기 때문입니다.
중력 가속도(gravity)는 g라고 표현하며 값은 [ g = 9.80665 ㎨ ]이며, 물체의 크기나 질량과는 상관없이 같은 값을 가지지만, 지구 중심과의 거리에 따라 값이 달라집니다. 거리가 멀어질수록 값이 적어집니다.
낙하하는 빗방울의 속도 (이론상)
| 낙 하 후 시 간 | 중력 가속도 | 물 체 의 속 도 |
| 정지 상태의 속도 | 0 ㎧ | |
| 1 초후 | + 9.8 ㎨ | 9.8 ㎧ |
| 2 초후 | + 9.8 ㎨ | 19.6 ㎧ |
| 3 초후 | + 9.8 ㎨ | 29.4 ㎧ |
| ~ | ~ | |
| 10 초후 | + 9.8 ㎨ x 10s | 98.0 ㎧ |
빗방울의 낙하속도(10초) = 처음 속도 + 9.8 ㎨ x 낙하시간(s) = 0 + 9.8 ㎨ x 10s = 98.0㎧
빗방울의 낙하속도(10초)를 시속으로 = 98 x 60(초를 분) x 60(분을 시간) ÷ 1,000 (m를 km)
계산상 10초후 [ 352.8 km/hr ]
빗방울의 속도
구름에서 만들어진 빗방울이 땅에 떨어질 때의 속도는 v = 9.8 ㎨ x (추락 시간) s = 엄청난 값?
공기의 저항력이 작용하기 때문에 일정 속도를 넘으면 등속도(일정한 속도)로 떨어집니다. 공기의 저항력은 물체의 속도에 비례하기 때문에 속도 증가하면 저항력도 증가하여 속도가 일정치 이상을 증가하지 못하게 합니다. 지구 상의 낙하 물체는 이와 같이 일정한 낙하속도를 가지게 되며 이를 낙하 종속도(마지막 속도)라고 합니다.
| 물 체 | 낙 하 종 속 도 |
| 스카이다이버 (낙하산 펼친) | 6.5 ㎧ |
| 탁구공 | 7.0 ㎧ |
| 직경 6mm 빗방울 | 10.0 ㎧ |
| 쇠공 (지름 4cm) | 80.0 ㎧ |
| 스카이다이버 (가장빠른) | 85.0 ㎧ |
빗방울의 실제 낙하속도(10㎧) 를 시속으로
10 x 60(초를 분) x 60(분을 시간) ÷ 1,000 (m를 km) = [ 36.0 km/hr ]
이상 속도와 가속도 질량과 무게의 차이, 중력 가속도에 대한 이해와 낙하하는 빗방울을 예시로 시간의 변화에 대한 낙하속도와 실제 공기저항과의 균형을 이룬 종속도에 대해 알아보았습니다.
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