진자운동은 물체의 운동 중 속력과 운동 방향이 변하는 운동이다. 실에 매단 물체(진자)가 같은 경로를 왕복하는 운동이다. 속력은 양 끝에서 0이고, 진동의 중심에서 가장 빠르다. 운동방향은 진자가 그리는 궤도의 각 위치에서 접선 방향이다.
괘종시계는 주로 벽이나 기둥에 매달아 사용하며 추가 양쪽으로 왔다갔다한다. 그러나 이러한 추시계의 단점은 여름과 겨울에 시간이 약간씩 달라진다는 것이다. 바로 추의 길이가 여름에는 길어졌다가(금속의 팽창) 겨울에는 짧아지기(금속의 수축) 때문이다. 이러한 괘종시계의 원리를 발견한 사람은 바로 '갈릴레이'이다.
1581년 예배 중 천장에 매달린 샹들리에가 흔들리는 것을 보았다.
그리고 갈릴레이는 샹들리에의 무게와 샹들리에가 양쪽으로 움직이는 폭과는 관계없이, 왼쪽에서 오른쪽으로 다시 왼쪽으로 오는데 걸리는 시간(주기)이 같다는 것을 알아내었다.
- 단진자
시계추와 같이 일정한 시간 간격으로 같은 운동을 되풀이하는 운동을 주기 운동이라고 한다. 이러한 주기 운동의 가장 대표적인 예가 진자이다. 진자는 고정된축이나 한 점의 주위를 일정한 시간 간격으로 움직이는 모든 물체를 뜻하는데, 그 중 가볍고 작은 추를 실에 매달아 왕복 운동하도록 만든 것을 단진자라고 한다.
- 중력과 속력
단진자의 운동을 일으키는 힘은 중력이다. 한 쪽 끝에서 정지한 단진자는 중력에 의해 아래로 내려오게 되고, 중력이 계속 작용하므로 속력은 점점 커져 운동의 중앙에서 가장 빨리 움직인다. 진자가 올라가는 동안 중력에 의해 속력이 점점 작아져 결국 반대편 끝에서 다시 정지한다. 이와 같이 단진자는 속력과 방향이 모두 변하는 운동을 해 중앙(O)에서는 속력이 가장 빠르고, 양 끝 점(A, B)에서는 순간 정지하여 속력은 0이 된다.
- 진자의 주기
추를 실에 매달아 흔들어 보면 실에 매달린 추는 좌우로 계속 왔다갔다 한다. 이와 같이 같은 일이 계속 반복되는 경우에 처음에 시작했던 지점으로 다시 되돌아오는 데 걸리는 시간을 주기라 한다.
예를 들어 진자의 길이가 1m가 되도록 실 끝에 질량 50g인 추를 매달고 추가 자유롭게 진동하도록 장치한 후, 추가 10회 왕복하는 시간을 재어 전체 시간을 10으로 나누면 추가 한 번 왕복하는 데 걸리는 시간, 즉 주기를 잴 수 있다.
- 진자의 등시성
- 진자의 진폭을 다르게 한다.(진자의 길이, 질량 일정)
- 추의 질량을 다르게 한다.(진자의 길이, 진폭 일정)
- 진자의 길이를 다르게 한다. (진자의 진폭, 질량 일정)
추의 질량과 진자의 진폭은 진자의 주기에 영향을 주지 못한다.
진자의 주기는 진자의 길이에 의해서만 영향을 받는다.
길이가 같은 진자의 주기는 추의 질량, 진폭에 관계없이 일정하다는 성질을 진자의 등시성이라고 한다.
※ 진자의 등시성은 진자의 진폭이 작은 경우에만 성립하고, 진폭이 커지면 등시성은 성립하지 않는다.
바이킹 운동 분석[편집]
- 속력이 가장 빠른 곳은 중앙지점이다.
- 속력이 가장 느린 곳은 가장 왼쪽 자리와 가장 오른쪽 자리이다.
- 가장 기분이 묘한 곳은 가장 왼쪽 자리와 가장 오른쪽 자리로 속도의 변화가 가장 큰 곳이다.
- 가장 기분이 좋은 곳은 중앙 지점으로 속도의 변화가 없어 등속운동을 하는 구간이다.
- 왜 바이킹을 타면 심장이 덜컹할까요?
바이킹은 배의 모양을 한 일종의 물리 진자이다. 시계추처럼 양옆으로 흔들리는 진자운동을 하는데 최고점에서 내려오는 순간 가슴이 철렁거리는 재미를 느끼게 된다. 배가 정상에서 내려올 때는 사람들은'무중량 상태'를 경험하게 된다. 무중량 상태란 중력을 느끼지 못하게 되는 상태로사람들은 공중에 붕 떠있는 듯한 느낌을 갖게 된다. 이때 몸은 지면에 비해 한참 기울어져 있으니 사람들은 이에 공포를 느끼고 비명을 내지르게 된다.
롤러코스터는 가속도의 방향을 바꾸면서 어지러움을 제공하지만 바이킹은 가속도의 크기변화가 더 심해 상대적으로 더 오랫동안 짜릿함을 느끼게 된다.
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참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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