물병과 얼린병을 회전시킬 때 회전에너지 비교

물병과 얼린병을 회전시키면 어떤 병이 회전시키기 힘들까?

이전에 물병과 얼린병 빗면 굴리기 실험에서 회전에너지만 따로 실험해 보기로 했다.

관성모멘드로 비교한 이전 실험 및 설명은 아래 링크 참고
https://sciencelove.com/2592

삶은 달걀과 날달걀을 경사면에서 굴리면?(에너지 보존법칙)

 

<실험방법>

물병보다 얼린병을 회전시키는데 더 큰 에너지가 든다. 이유는 물병을 회전시키면 안에 있는 물은 잘 따라 돌지 않고 병만 회전하기 때문이다. 반면에 얼린병은 안에 있는 얼음까지 다 따라 돌기 때문에 회전시키는데 더 큰 에너지가 필요하다.

빗면에 굴리는 대신 병을 줄에 묶어 회전시켜 보기로 했다. 옷걸이 양쪽 끝에 줄을 묶고, 병 윗 부분에 연결한 다음, 병을 10번을 회전시켜 실을 감았다가 실이 다 풀릴 때 까지 걸리는 시간을 측정해 보았다. 회전에너지가 더 큰 병이 다 풀리는데 시간이 더 오래 걸린다. 즉 회전시키는데 에너지가 많이 드는 병이 더 천천히 풀리는 것이다. 

1번째 실험 : 빈병과, 물병, 얼린병 3개를 가지고 실험해 보았다.
아래 영상을 보자.

https://youtu.be/w7DN7XLGc8I

 

빈병과 물병은 거의 똑같이 풀린다. 이는 물병 안에 든 물은 거의 따라 돌지 않는다는 의미다. 반면에 얼린병이 더 천천히 풀린다. 물병안에 물은 거의 회전하지 않고 병만 회전하지만, 얼린병은 병과 함께 안에 든 얼음도 회전하기 때문이라고 보면 된다. 따라서 얼린병을 회전시키는데 에너지가 더 많이 든다. 다른 관점에서 보면 얼린병이 회전시켜야 할 질량도 더 크다는 것을 알 수 있다.

2번째 실험 : 만약 물병안에 든 물이 모두 따라 돈다면 어떻게 될까?
물병안에 물이 모두 따라 돈다면 얼린병과 똑같이 풀릴 것인지 궁금해 졌다.
아래 영상을 보자.

 

예전에 구입했던 반반 주스통(지금은 판매되지 않음)을 이용해서 추가로 실험해 보았다.
반반 주스통은 중간에 막이 있어, 2종류의 주스를 먹을 수 있도록 만든 통이다. 그래서 물을 넣었을 때 중간막 때문에 병이 회전하면 안에 있는 물도 모두 따라 돌 수 밖에 없는 구조다.

같은 방법으로 반반 주스통을 이용하여 빈병과 물병, 얼린병을 실험해 봤다
예상대로 물병과 얼린병이 거의 똑같이 회전하는 걸 알 수 있었다.

결론 : 결국 병이 빗면을 굴러 내려갈 때 회전운동에너지가 어떤 것이 더 큰지 알 수 있다.
물병과 빈병은 병만 회전시키면 되기 때문에 회전에너지가 거의 같다는 것을 알 수 있다.

https://youtu.be/aHEtIwl_lgA

 

<추가>

 점도가 있는 물질이 들어 있는 병을 같은 방법으로 실험한다면, 점도가 있는 물질도 어느정도 따라 돌것이기 때문에 얼린병 보다는 빠르고, 물병보다는 느리게 회전할 것이다. 

 

<관련실험>

1. 삶은 달걀과 날 달걀을 경사면에서 굴리면 
https://sciencelove.com/2592

삶은 달걀과 날달걀을 경사면에서 굴리면?(에너지 보존법칙)

 

3. 다양한 병 경사면 굴리기 실험

https://sciencelove.com/2595

물병, 얼린 병 과 다양한 병 경사면 굴리기 실험

 

4. (탐구활동) 물의 양에 따른 경사면 굴리기 실험
https://sciencelove.com/2596

탐구활동-물의 양에 따른 경사면 굴리기 실험(에너지 보존)