새장안에 있는 새가 날아올라 공중에 떠 있을 때 새장의 질량은 어떻게 될까?
새장안에 새가 날고 있을때 질량은? - 질량보존의 법칙
저울위에 새가 앉아 있는 새장을 올려 놓고 질량을 측정하였다. 잠시후 새장안에 앉아 있던 새가 날아 올라 새장 중간에 떠 있다면 저울의 눈금은 어떻게 될까? 단 새장은 완전 밀폐된 유리로 만
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새장이 밀폐되어 닫힌계 안에 있다면 변하지 않을 것이다.
실제로 실험해 볼 수 없어서 안타까웠는데
드론을 이용해서 실험해 볼 수 있게 되었다.
저울위에 밀폐된 용기안에 드론을 넣고 질량을 측정한 다음 공중에 띄우면 저울위 측정값은 어떻게 변할까?
실제 실험해 보니 밀폐된 용기 안에서는 질량이 거의 변하지 않음을 알 수 있었다.
가속하거나 충돌할때 순간적으로 생기는 질량변화를 무시한다면 평균적인 질량은 변하지 않는 것으로 보인다.
열린계에서는 닫힌계보다 질량의 변화가 훨씬 큰 것을 알 수 있었다.
동영상의 처음에는 반응이 조금 늦은 저울을 사용했는데
후반부에는 반응이 빠르고 미세한 변화까지도 측정할 수 있는 저울을 사용하였다.
(바람만 불어도 측정값이 바뀌는 저울)
좁은 공간에서 드론을 공중에 정지상태로 띄우기가 힘들어서
예전에 3D 프린터로 만든 드론 케이스 안에서 드론을 이륙시켜 벽에 부딪히는 것을 방지 하였다.
(날개 보호대가 달린 드론을 사용하면 더 좋을 듯)
완벽하지는 않지만 만족스러운 결과가 나와 기분이 좋다.
아래는 추가로 찍어본 동영상
재미있는 점은 초반부에 뚜껑을 덮고 찍은 드론은 질량이 별 차이가 없는데 후반부에 뚜껑을 열어 놓고 촬영한 것은 드론이 떠 있는 동안 질량이 증가하는 것을 볼 수 있다.
처음에는 이유를 몰라 당황스러웠는데 고민을 해서 이유를 알아 냈다.
고민해 본 결과 간단하게 생각을 정리하면
이론적으로 드론이 떠 오르기 위해서는 드론의 질량만큼 공기를 밀어내면 되기 때문에 측정값이 변할 이유가 없는데, 드론 주변 공기의 흐름이 영향을 미치기 때문이라 생각된다.
날개없는 선풍기의 원리를 보면 선풍기가 발생시키는 바람에 주변공기의 흐름이 더해져 더 센 바람이 만들어지는 것처럼, 드론이 떠 오르는데 필요한 힘만큼 공기를 밀어 내는데 주변에 있던 공기들도 기류를 따라 함께 아래쪽으로 이동하기 때문에 실제 측정값은 더 커지는 것으로 보인다.
위 설명은 에너지 보존법칙에 위배 되는 것으로 보인다. 따라서 바닥과 충돌하는 공기 입자가 튕겨 나오면서 운동량이 커지기 때문으로 설명하는 것이 타당한 것으로 보인다. (아직 고민중)
뚜껑을 닫으면 주변 공기의 흐름이 생기더라도 어차피 닫힌 계안에서의 공기의 흐름이므로 아래쪽에 충돌한 공기입자들은 위로 튕겨 올라가다가 위쪽에 충돌하면서 같은 힘으로 상자를 들어올리기 때문에 결국 주변 공기 흐름에 의한 측정값 변화는 나타나지 않는 것으로 보인다.
드론이 높이 떠 오르면 저울에 작용하는 공기가 흩어지기 때문에 당연히 측정값이 작아진다. 그렇지만 드론이 떠오르려고 할때 부터 이미 기류가 생겨 측정값이 증가하는 것을 볼 수 있다.
자세한 설명은 링크 참고
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작용 반작용을 설명할 때 항상 나오는 고전적인 문제다. 돛단배 위에 선풍기를 틀어주면 어느쪽으로 움직일까? 물리교과서에 정답은 움직이지 않는다는 것이다. 돛단배 위에 선풍기가 10이라는
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