역학적 에너지 보존 - 물병을 이용한 초간단 실험

역학적에너지 보존을 이야기 할 때 많이 하는 실험 중 하나다

무거운 추나 볼링공을 천장에 매달고 얼굴 앞에서 놓면 공이 그네처럼 갔다가 되돌아 오는 왕복운동을 한다.

공이 얼굴 있는 곳으로 다시 돌아 왔을 때 역학적 에너지 보존에 의해

처음 위치에너지 보다 커질 수 없기 때문에 추나 볼링공은 얼굴 앞에서 멈추게 된다.

즉, 과학을 믿으면 안전하다.

수업시간에 직접 실험해 보았다. 일단 동영상을 보자.

https://youtu.be/TObd1mkuP1E

 

<실험 준비하면서 문제점>

1 교실 천장에 안전하게 추를 매달만한 곳이 없다.

선풍기 매달린 곳을 사용해 볼까 했으나 이것도 조금 위험할 것 같다.

그래서 학생들 도움을 받아 봉을 이용해 보았다.

봉에다가 실을 걸어서 두명의 학생이 잘 잡고 있으면 된다. 

그런데 약간 걱정이 든다.

두명의 학생이 잡고 있던 봉이 물병의 무게 때문에 흔들리거나, 일부러 봉을 흔들어 버리면 위험할 수 있다.

(직접 실험해 보니 봉이 약간 흔들려도 실이 충분히 길면 큰 영향을 받지 않는다. 안전하게 할 수 있다.)

그래서 두명의 학생이 책상위에 올라가서 봉을 천장에 붙이고 누르고 있게 하였다. 봉이 앞뒤로 이동할 위험이 없어 졌다.

무엇보다 천장에 무언가를 매다는 번거로운 준비과정 없이 바로 실험할 수 있어서 좋다.

2. 그리고 무거운 추를 사용하니 줄이 끊어질 경우 위험할 수 있겠다는 생각이 들었다.

만약 볼링공이나 딱딱한 무거운 추를 이용하는 경우 줄이 끊어져서 떨어지면 큰 사고로 이어질 수 있다.

그래서  끊어져도 덜 위험하면서 무게는 무거운 물병으로 바꾸었다.

물을 넣은 500mL 짜리 물병을 사용하니, 시각적으로도 커 보이고, 만약 충돌한다 해도 볼링공처럼 딱딱하지 않아 크게 위험하지 않아서 좋다. 

줄을 보면 고리를 2군데 만들어 놓았다.

상황에 따라 어떤 고리를 봉에 끼우는지에 따라서 줄의 길이가 달라진다. 짧은 고리는 두명의 학생이 들고 있어도 되는 정도의 길이고, 긴 고리는 천장에서 바닥까지 도달하는 거리다.

줄을 길게 해서 실험하는 것이 효과가 더 좋다.

<수업시간 실험 방법>

1. 학생이 스스로 직접 하게 해도 좋고, 영상처럼 선생님이 뒤에서 놔 줘도 좋다.

극적인 효과를 위해 학생을 앞에 세우고, 도망 못가게 선생님이 뒤에서 막고 위에 영상처럼 실험하면 좋다.

겁이 날 수 있지만, 물병은 처음 놓았던 위치까지만 올라온다. 즉 얼굴 앞에서 멈춘다.

2. 물병을 밀면서 놓면

영상 마지막에는 처음 출발할때 위치에너지만 있는 것이 아니라

일부러 살짝 밀어서 처음 높이에서 운동에너지도 만들었다.  즉 역학적 에너지를 더 크게 만들었다

그럼 역학적에너지 보존에 의해 왕복운동을 하고 돌아온 물병은 처음위치 보다 더 높게 올라오게 된다. 

그래서 영상을 보면 학생을 뒤로 잡아당기는 모습이 보일 것이다.

중요한 건 이 실험을 통해 역학적 에너지가 보존 된다는 것을 학생들이 이해하게 만드는 것이다.

3. 반대쪽 똑같은 높이에서 물병을 놓아, 얼굴 앞에서 멈추는지 도전해 보는 것도 좋다.(이건 조금 위험할 수 있다)

하는 방법은 얼굴 앞에서 물병을 놓고, 반대쪽에서 어디까지 올라오는지 확인한 다음, 제일 높이 올라왔던 지점에서 물병을 놓아주면 된다.

조금 더 난이도를 높이려면, 얼굴까지의 높이를 측정하고, 반대쪽도 마찬가지로 물병까지의 높이를 측정해서 시도해 볼 수도 있다.

과학을 믿는 다면 도전해 보시길...

<참고자료>

1. 아래는 BRAINIAC 프로그램에 나왔던 영상이다.

필자가 역학적 에너지 보존 실험할 때 항상 보여주는 영상이다. 영어로 나와서 답답했었는데

이번에  인공지능 도움을 받아 약간 엉성하지만 한글자막을 추가해서 새로 영상을 만들어 보았다.

영상의 저작권은 BRAINIAC 에 있다.

https://youtu.be/O_oCX52-TxA

 

2. 아래는 진자운동 가상실험

https://sciencelove.com/2628

진자운동 가상실험