과학 운동과에너지 단원에 대한 질문 입니다

Question

중3 과학

운동과 에너지 단원에서

등속운동 자유낙하,일과 에너지 부분을 잘 설명 해주세요ㅜㅜ

특히 일을 하여 생긴 에너지,일상생활의 위치에너지와 운동 에너지 설명좀 자세히 부탁드립니당ㅠㅠㅠㅠㅠㅠㅠ

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

중3 운동과 에너지 단원을 하나씩 차근차근 풀어드릴게요. 이 단원은 개념끼리 연결돼 있어서 순서대로 이해하면 훨씬 쉬워요.

먼저 등속운동이에요. 등속운동은 말 그대로 속도가 일정한 운동이에요. 빨라지지도 느려지지도 않고 같은 빠르기로 쭉 가는 거예요. 공항의 무빙워크나 일정한 속도로 달리는 자동차를 떠올리면 돼요. 등속운동에서는 같은 시간 동안 같은 거리를 이동해요. 1초에 2미터 갔다면 그다음 1초에도 2미터, 또 그다음 1초에도 2미터를 가는 거예요. 그래서 이동 거리는 속력에 시간을 곱하면 구할 수 있어요. 시간에 따라 이동 거리를 그래프로 그리면 일정하게 올라가는 곧은 직선이 나온답니다.

다음은 자유낙하예요. 자유낙하는 물체가 오직 중력만 받아 아래로 떨어지는 운동이에요. 손에 든 물건을 가만히 놓으면 아래로 떨어지잖아요. 이때 중요한 건 떨어지면서 점점 빨라진다는 거예요. 등속운동과 정반대죠. 중력이 계속 물체를 잡아당기니까 속도가 시간이 갈수록 붙어요. 1초 뒤보다 2초 뒤가, 2초 뒤보다 3초 뒤가 더 빠른 거예요. 그래서 높은 곳에서 떨어진 물건일수록 바닥에 닿을 때 더 세게 부딪혀요. 오래 떨어질수록 그만큼 빨라졌으니까요.

여기서 정말 신기한 사실이 하나 있어요. 무거운 물체나 가벼운 물체나 똑같은 빠르기로 떨어진다는 거예요. 쇠공과 나무공을 같은 높이에서 동시에 놓으면 동시에 바닥에 닿아요. 무거우면 빨리 떨어질 것 같은데 안 그래요. 공기 저항만 없다면 깃털과 쇠구슬도 같이 떨어진답니다. 실제로 달에는 공기가 없어서 우주비행사가 망치와 깃털을 동시에 떨어뜨렸더니 나란히 떨어졌어요.

이제 핵심인 일과 에너지로 갈게요. 과학에서 말하는 일은 우리가 흔히 쓰는 일과 뜻이 조금 달라요. 과학에서 일은 물체에 힘을 줘서 그 물체를 움직였을 때 했다고 해요. 무거운 상자를 밀어서 옮기면 일을 한 거예요. 그런데 아무리 힘을 줘도 물체가 안 움직이면 과학적으로는 일을 안 한 거예요. 벽을 힘껏 밀어도 벽이 그대로면 일을 하지 않은 셈이죠. 일의 크기는 물체에 준 힘에 물체가 이동한 거리를 곱해서 구해요. 힘이 셀수록, 멀리 옮길수록 일을 많이 한 거예요.

여기서 에너지가 등장해요. 에너지는 일을 할 수 있는 능력이에요. 어떤 물체가 다른 물체에 일을 해줄 수 있으면 그 물체는 에너지를 가진 거예요. 그리고 일과 에너지는 짝처럼 연결돼 있어요. 물체에 일을 해주면 그만큼 그 물체의 에너지가 늘어나거든요. 내가 공을 밀어 일을 하면 그 일이 고스란히 공의 에너지로 바뀌는 거예요. 반대로 에너지를 가진 물체는 다른 것에 일을 해줄 수 있고요. 일을 하면 에너지가 생기고, 에너지가 있으면 일을 할 수 있다는 이 주고받는 관계가 이 단원의 뼈대예요.

이제 두 가지 에너지를 볼게요. 먼저 위치에너지는 높은 곳에 있는 물체가 가진 에너지예요. 높이 있을수록, 무거울수록 위치에너지가 커요. 왜 이게 에너지냐면, 높은 곳의 물체는 떨어지면서 다른 것에 일을 할 수 있기 때문이에요. 예를 들어 높이 든 망치가 떨어지면 못을 박잖아요. 그 망치가 못을 박는 일을 할 수 있는 건 높은 곳에 있어서 위치에너지를 품고 있었기 때문이에요. 댐에 높이 가둔 물이 떨어지며 발전기를 돌리는 것도, 놀이터 미끄럼틀 꼭대기에 앉았을 때가 아래보다 위치에너지가 큰 것도 같은 이야기예요.

운동에너지는 움직이는 물체가 가진 에너지예요. 빠를수록, 무거울수록 운동에너지가 커요. 움직이는 물체가 다른 것에 부딪히면 일을 할 수 있어요. 굴러오는 볼링공이 핀을 쓰러뜨리는 게 운동에너지 덕분이에요. 달리는 자동차가 위험한 것도 큰 운동에너지를 가지고 있어서예요.

이 두 에너지가 서로 바뀌는 게 이 단원의 하이라이트예요. 자유낙하를 다시 떠올려보세요. 높은 곳에 있던 물체는 위치에너지가 커요. 그런데 떨어지기 시작하면 높이가 낮아지면서 위치에너지는 줄어들어요. 대신 떨어지며 점점 빨라지니까 운동에너지는 늘어나요. 즉 위치에너지가 운동에너지로 모습을 바꾸는 거예요. 꼭대기에서는 위치에너지가 가장 크고 운동에너지는 0이었다가, 바닥에 닿는 순간엔 위치에너지가 0이 되고 운동에너지가 가장 커져요. 롤러코스터가 높은 곳에서 천천히 있다가 내려오면서 쌩쌩 빨라지는 게 바로 이 에너지 전환이에요. 그네도 가장 높이 올라갔을 때 잠깐 멈췄다가 가장 낮은 지점에서 제일 빠르잖아요. 위치에너지와 운동에너지가 계속 자리를 바꾸는 거랍니다.

정리하면 등속운동은 일정한 속도로 가는 운동, 자유낙하는 중력만 받아 점점 빨라지며 떨어지는 운동이에요. 일은 힘을 줘서 물체를 움직이는 것이고, 그 일이 에너지로 바뀌어요. 위치에너지는 높은 곳에 있어 가진 에너지, 운동에너지는 움직여서 가진 에너지이고, 이 둘은 상황에 따라 서로 모습을 바꿔요. 이 흐름만 머릿속에 그려두면 문제도 훨씬 수월하게 풀린답니다. :)