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여러 가지 운동

직선 운동

물체의 위치가 시간과 함께 바뀔 때 그 물체는 운동을 한다고 말한다. 물체의 운동 상태는 각 시각마다 물체의 위치를 정확하게 기록하고, 그것을 분석함으로써 확실해진다.

등속직선운동

等速直線運動 일정한 속도로 일직선상을 나아가는 운동을 등속직선운동이라고 한다. 예를 들면, 매끄럽고 수평인 바닥 위를 굴러가는 공이나 직선 레일을 최고 속도로 달리고 있는 고속열차 등은 대개 등속직선운동을 한다고 볼 수 있다. 아래의 그림과 같은 활주대 위에 활주체를 얹어서 떠오르게 하고 마찰이 없는 상태로 운동시킨다. 운동 상태를 기록하기 위해 일정한 시간 간격으로 강한 빛을 짧은 시간에 발광하는 멀티스트로보 장치로 조명하여 한 장의 필름 위에 촬영한다. 이와 같은 장치를 사용하여 사진을 찍으면, 일정한 시간마다 물체의 위치가 기록된다. 운동체가 일정한 간격을 두고 나란히 놓여 있으면 일정한 시간 사이에 같은 거리를 운동한 것이 되어 이로써 등속 운동임을 알게 된다. 가로축에 시간 T를, 세로축에 이동거리 S를 잡고, 각 시각마다의 운동체의 위치를 그래프에 표시하면, 원점을 통과하는 직선이 된다. 즉, 이동거리는 시간에 비례하고 있다.

가속도가 있는 직선 운동

加速度－直線運動 열차나 자동차가 달리기 시작할 때는 속도가 차츰 빨라지지만 브레이크를 걸어서 정지시킬 때는 반대로 속도가 차츰 감속된다. 예를 들면, 특급 열차가 출발점 A에서 도착점 B의 약 1000㎞를 7시간에 달린다면 시속은 1000(㎞)÷7(n)≒143.2(㎞/n)가 된다. 그러나 도중의 역에서 서거나 서기 위해서 속도를 늦추어야 하므로 7시간에 A－B 사이를 달리기 위해서는 어떤 구간에서는 이보다 큰 속도로 달리는 것이 된다. 따라서 거리를 달린 시간으로 나누어서 얻은 143.2㎞/n이라는 속도는 평균 속도로서 실제로 달린 속도는 이보다 커지기도 하고 작아지기도 한다.

낙하 운동

落下運動 지상의 물체는 모두 낙하한다. 그러나 그 낙하하는 모습은 똑같지가 않다. 예를 들면, 깃털이나 종이 조각은 천천히 떨어지지만, 돌이나 둥근 쇠붙이 등은 매우 빠르게 떨어진다. 무거운 물체일수록 빠르게 떨어진다는 생각에 대해 갈릴레이를 비롯한 소수의 학자가 의문을 품게 되었지만, 오늘날에 있어서는 진공 낙하 장치로 이러한 의문이 잘못임이 확인되었다. 공기가 들어있는 가느다란 유리관에 깃털이나 종이 조각, 금속공을 넣고 관의 상하를 뒤바꾸면, 금속공은 빠르게 떨어지지만 깃털이나 종이 조각은 천천히 떨어진다. 다음에 진공 펌프에 연결하여 유리관 속의 공기를 뺀 다음 관의 상하를 뒤바꾸면 금속공과 종이 조각은 동시에 바닥에 닿게 된다. 이 실험을 통해, 물체가 낙하할 때의 모양은 진공 속에서는 물체의 무게에 관계없이 모든 물체가 동일한 데 비해, 공기 속에서는 낙하하는 모양이 다른 것은 물체에 작용하는 공기의 저항이 다르기 때문임을 알 수가 있다. 공기 속에서 낙하시키는 경우에도 납과 같이 밀도가 큰 금속공은 중력에 비해 공기의 저항력이 상당히 작아지므로, 이 경우에는 무게가 다른 크고 작은 두 개의 공을 낙하시켜도 거의 동일하게 낙하한다. 따라서 공기 속에서도 공기의 저항이 무시할 수 있을 만큼 작을 때에는 물체의 낙하는 그 무게와 거의 관계가 없음을 알 수 있다.

중력의 가속도

重力－加速度 공기의 저항이 무시될 수 있을만큼 무거운 금속공을 낙하시키고 스트로보 장치를 사용하여 사진을 찍어 그 운동을 분석하면, 등가속도 운동임을 알 수가 있다. 그 가속도는 9.8㎨ 전후로서, 이 가속도를 중력의 가속도라고 하며, 기호는 g이다. 진공 속에서 물체를 낙하시키거나 기타의 방법으로 자세하게 측정해 보면 g의 수치는 거의 9.80㎨이지만, 이는 지구상의 장소나 높이에 따라 약간씩 달라진다.

상대 속도

相對速度 물체 A,B가 운동하고 있을 때 A와 함께 운동하고 있는 관측자가 B의 운동을 보았을 때의 속도를 상대 속도라고 한다. 예를 들면 도로와 평행한 선로 위를 시속 40㎞로 달리고 있는 자동차를 같은 방향으로 같은 속도로 달리고 있는 열차에서는 정지되어 있는 것처럼 보인다. 즉, 상대 속도는 0이다. 열차가 시속 30㎞라면 자동차는 10㎞/n로 열차가 시속 50㎞라면 자동차는 10㎞/n로 열차와 반대 방향으로 달리는 것처럼 보인다. 이 예로 알 수 있듯이 운동하고 있는 관측자가 다른 운동을 볼 때에는 자기의 속도와 상대방의 속도에 각각 자기의 속도와 크기가 같고, 방향이 반대인 마이너스의 속도를 더하면 자기는 정지한 상태가 되고 상대방은 상대 속도를 나타나게 된다. 이 관계는 임의의 방향으로 운동하고 있는 두 물체의 상대 속도를 구하는 경우에도 적용된다.

포물체의 운동

지상에서 비스듬히 던져 올린 공, 옥상에서 수평으로 튀어나간 공과 분수의 물 등은 거의 포물선을 그리며 운동한다. 다음에는 곡선 운동의 대표격인 포물체의 운동을 살펴본다.

수평 방향으로 던진 물체의 운동

水平方向－物體－運動공기의 저항이 무시되는 무거운 금속공 A, B를 두 개 준비하여, A는 염직방향으로 자유 낙하시키고, B는 수평 방향으로 일정한 초(初)속도로 던진다. A, B를 동시에 스타트시켜서, 그 후의 위치를 스트로보 사진에 찍어서 양자를 비교하면 다음과 같은 것을 알 수 있다. 그림 X와 같이 B는 곡선을 그리며 운동하고 있지만 항상 A와 같은 운동은 가속도 g의 등가속도 운동이므로 B의 염직방향의 운동도 가속도 G의 등가속도 운동이다. B의 위치를 수평으로 투영해보면 같은 간격으로 나란히 있음을 알 수 있다. 멀티스트로보의 조명 시간 간격은 일정하므로 같은 시간내에 같은 거리만을 이동하고 있음을 알 수 있다. 즉, B의 수평 방향 운동은 등속 운동이다.