나뭇잎 교과서

포물선 운동과 역학적 에너지

공을 비스듬히 던지면 포물선을 그리며 날아갑니다. 운동을 가로와 세로로 나누면 복잡한 곡선이 두 개의 간단한 운동으로 바뀝니다. 몇 도로 던져야 가장 멀리 가는지, 날아가는 동안 에너지는 어떻게 바뀌는지 계산해 봅니다.

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포물선 운동과 역학적 에너지

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공을 너무 낮게 던지면 금방 땅에 떨어지고, 너무 높이 던지면 높이 올라갔다가 가까이 떨어진다. 그 사이 어딘가에 가장 멀리 날아가는 각도가 있을 것이다. 공기 저항이 없다면 그 각도는 정확히 몇 도일까? 그리고 공이 날아가는 동안 속력은 어떻게 변할까?

그림 1. 같은 속력으로 여러 각도로 던진 공의 궤적(점선)과 고른 각도의 궤적(파랑). 45°에서 가장 멀리 가고, 30°와 60°처럼 합이 90°인 두 각도는 도달 거리가 같다(공기 저항 무시).
먼저 알아야 할 것등가속도 운동, 수평으로 던진 물체의 운동(통합과학), 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지(물리학), 삼각비와 배각 공식.

1.2.1운동을 두 방향으로 나누기

공에는 아래 방향의 중력만 작용한다. 그래서 수평 방향으로는 힘이 없어 처음 속도 \(v\cos\theta\)로 등속도 운동을 하고, 연직 방향으로는 처음 속도 \(v\sin\theta\)로 올라가며 가속도 \(g\)로 감속하는 등가속도 운동을 한다. 두 운동은 서로 영향을 주지 않으므로 따로 계산한 뒤 합친다.

정리 1.2.1 비스듬히 던진 물체의 운동

\[x = v\cos\theta \cdot t,\qquad y = v\sin\theta \cdot t - \frac{1}{2}gt^2\] 같은 높이로 돌아올 때까지의 시간은 \(T = \dfrac{2v\sin\theta}{g}\), 수평 도달 거리는 \(R = \dfrac{v^2\sin 2\theta}{g}\), 최고 높이는 \(H = \dfrac{v^2\sin^2\theta}{2g}\)이다.

\(\sin 2\theta\)는 \(2\theta = 90°\), 곧 \(\theta = 45°\)일 때 최댓값 1이다. 그래서 45°로 던질 때 가장 멀리 간다. 또 \(\sin 2\theta = \sin(180° - 2\theta)\)이므로 \(\theta\)와 \(90° - \theta\)는 도달 거리가 같다. 그림 1에서 30°와 60°를 번갈아 골라 보면 같은 지점에 떨어지지만, 60°가 훨씬 높이 오래 날아간다.1

1.2.2역학적 에너지로 본 포물선 운동

공기 저항이 없으면 공의 역학적 에너지는 보존된다. 공이 올라가면 운동 에너지가 퍼텐셜 에너지로 바뀌어 느려지고, 내려오면 다시 빨라진다. 그런데 수평 속도는 그대로이므로 최고점에서도 속력이 0이 아니라 \(v\cos\theta\)이다. 같은 높이로 돌아오면 퍼텐셜 에너지가 처음과 같으므로 속력도 처음과 같은 \(v\)이다.

최고점에서도 수평 속도는 그대로 수평 성분 일정연직 성분만 변함
그림 2. 포물선 운동에서 속도의 수평 성분은 일정하고, 연직 성분만 중력 때문에 줄었다가 반대 방향으로 커진다.

1.2.3예제 풀이

예제 1.2.2

공을 20 m/s로 지면과 30°를 이루게 던졌다. 공이 다시 지면에 닿을 때까지의 시간, 수평 도달 거리, 최고 높이, 최고점에서의 속력을 구하여라. (\(g = 9.8\ \text{m/s}^2\))

처음 속도의 수평 성분은 \(20\cos 30° \approx 17.3\) m/s, 연직 성분은 \(20\sin 30° = 10\) m/s이다. 체공 시간은 \(T = \dfrac{2 \times 10}{9.8} \approx 2.04\) s이고, 수평 도달 거리는 \(17.3 \times 2.04 \approx 35.3\) m이다.

최고 높이는 \(\dfrac{10^2}{2 \times 9.8} \approx 5.1\) m이다. 에너지 보존으로 확인하면, 최고점에서의 속력은 수평 성분 17.3 m/s이므로 \(\dfrac{1}{2}m(20^2 - 17.3^2) = mgH\)에서 \(H = \dfrac{400 - 300}{19.6} \approx 5.1\) m로 같다. 같은 속력으로 45°로 던지면 \(\dfrac{400}{9.8} \approx 40.8\) m까지 간다.

아래 탐구 카드에서 수평으로 던진 공과 비스듬히 던진 공의 궤적을 직접 조작해 보자.

  1. 실제로는 공기 저항 때문에 가장 멀리 가는 각도가 45°보다 조금 작다. 투포환은 던지는 높이가 지면보다 높아서, 포탄은 공기 저항이 커서 각각 45°보다 낮은 각이 유리하다.
마무리

비스듬히 던진 물체의 운동은 수평 방향의 등속도 운동과 연직 방향의 등가속도 운동을 합친 것이며, 수평 도달 거리는 \(\frac{v^2\sin 2\theta}{g}\)이다. 공기 저항이 없으면 역학적 에너지가 보존되어 같은 높이에서 속력이 같다. 그래서 처음 질문의 공은 \(\sin 2\theta\)가 최대인 45°로 던질 때 가장 멀리 간다.

탐구 1

수평으로 던진 공은 왜 포물선을 그릴까?

수평 방향 · 연직 방향 · 운동의 분해
떨어지는 시간
—
수평 도달 거리
—
착지 속력
—
착지 각도 (수평 기준)
—

수평 속도연직 속도

  1. 질문같은 높이에서 한 공은 옆으로 세게 던지고, 다른 공은 그냥 놓는다. 어느 공이 먼저 땅에 닿을까?
  2. 복원공기 저항이 없으면 물체는 질량과 관계없이 가속도 g로 떨어진다. 그리고 중력은 아래로만 작용한다.
  3. 설명그래서 옆으로 던진 공에도 힘은 아래로만 작용한다. 수평 방향으로는 힘이 없으니 처음 속력 그대로 가고(등속), 연직 방향으로는 그냥 놓은 공과 똑같이 떨어진다(등가속도). 힘이 없으면 운동 상태가 바뀌지 않는다는 관성 법칙은 운동량과 충격량을 다룰 때 더 자세히 본다.
  4. 연결두 운동을 합치면 x = v₀t, y = ½gt²이다. t를 없애면 y = (g / 2v₀²) x²이 되어, 떨어진 거리가 수평 거리의 제곱에 비례하는 포물선이다.
  5. 적용던지는 속력만 0에서 20까지 바꿔 보자. 수평 도달 거리는 속력에 비례해 늘지만, 떨어지는 시간은 그대로이다. 바닥의 초록 눈금 간격(같은 시간 동안 간 거리)과 점들의 높이도 비교해 보자.
  6. 판단“세게 던진 공은 더 오래 떠 있다”는 느낌은 연직 방향과 수평 방향을 한데 섞어 생각한 결과이다. 떨어지는 시간은 높이만으로 정해진다. 다만 이 그림은 공기 저항을 무시했다. 실제 야구공처럼 빠른 공은 공기 저항 때문에 수평 속력이 줄어 포물선보다 짧게 떨어진다.

확인조건이 달라지면

일정한 속력으로 수평 비행하는 비행기에서 구호 물자를 놓았다. 공기 저항이 없다면, 비행기 조종사에게 물자는 어디에 보일까?

탐구 2

비스듬히 던진 공은 몇 도에서 가장 멀리 갈까?

포물선 운동 · 성분 분해와 역학적 에너지
수평 도달 거리
—
최고 높이
—
비행 시간
—
이 높이에서 가장 멀리
—

질량 1 kg인 공, g = 9.8 m/s²로 두고 공기 저항은 무시했으며, 위치 에너지의 기준면은 땅이다. 회색 점선은 같은 속력으로 던졌을 때 가장 멀리 가는 궤적이다.

  1. 질문포환던지기 선수는 45°보다 낮은 각도로 던진다고 한다. 가장 멀리 가는 각은 45°라고 배웠는데, 왜 그럴까?
  2. 복원수평으로 던진 물체는 가로로는 같은 속도로, 세로로는 자유 낙하처럼 움직이며, 두 방향의 운동은 서로 영향을 주지 않는다.
  3. 설명처음 속도 v₀를 각 θ로 던지면 수평 성분은 v₀cosθ, 연직 성분은 v₀sinθ이다. 수평으로는 힘이 없으므로 x = v₀cosθ·t, 연직으로는 중력만 작용하므로 y = h₀ + v₀sinθ·t − ½gt²이고, 땅에서 던지면 도달 거리는 v₀²sin2θ/g이어서 sin2θ가 가장 큰 45°에서 가장 멀다.
  4. 연결날아가는 동안 공에 일을 하는 힘은 중력뿐이라 역학적 에너지 ½mv² + mgh가 일정하다. 그리고 수평 속도는 변하지 않으므로, 최고점에서도 운동 에너지는 0이 아니라 ½m(v₀cosθ)²가 남는다.
  5. 적용시각 막대를 움직여 에너지 막대의 합이 변하는지 보자. 그다음 던지는 높이를 2 m로 올려 가장 멀리 가는 각이 45°보다 작아지는지 확인하고, 30°와 60°로 던졌을 때 도달 거리를 비교해 보자.
  6. 판단45°가 언제나 가장 멀리 간다는 것은 땅에서 던지고 공기 저항이 없을 때만 맞는다. 높은 곳에서 던지면 더 낮은 각이 유리하고, 공기 저항이 있으면 최적 각이 더 작아진다. 또 최고점에서 속력이 0이라는 생각도 오개념인데, 연직 성분만 0이기 때문이다.

확인조건이 달라지면

땅에서 같은 속력으로 30°와 60°로 각각 공을 던졌다. 공기 저항이 없을 때 두 공에 대한 설명으로 옳은 것은?

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