탁구공과 쇠구슬이 동시에 자유낙하 운동을 했을 때 쇠구슬이 먼저 떨어지는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요 하얀도화지입니다.
자유낙하 운동을 할 때 질량이 달라져고 낙하 시간은 변하지 않는데요
근데 탁구공과 쇠구슬이 동시에 자유낙하 운동을 했을 때 쇠구슬이 먼저 떨어지는 이유가 뭔가요?
안녕하세요.
탁구공과 쇠구슬이 자유낙하 운동을 할 때 쇠구슬이 먼저 떨어지는 현상은 물리적 원리에 기반을 둔 결과입니다. 이론적으로, 무게력만 작용하는 진공 상태에서는 모든 물체가 동일한 가속도(g ; 중력가속도)로 낙하하므로, 질량에 관계없이 모든 물체가 동시에 지면에 도달합니다. 그러나 실제 대기권 내에서는 공기 저항이라는 추가적인 요소가 작용하며, 이는 물체의 낙하 속도에 영향을 미칩니다.
공기 저항은 물체가 공기 중을 움직일 때 공기 분자와의 상호작용으로 발생하는 저항력입니다. 이 저항력은 물체의 속도와 표면적에 비례하여 증가하며, 물체의 형태와 밀도에 따라 다르게 나타납니다. 탁구공과 쇠구슬의 경우, 두 물체의 밀도와 표면적의 차이가 중요한 역할을 합니다.
- 탁구공 : 가벼우며 상대적으로 큰 표면적을 가지고 있어 공기저항을 많이 받습니다. 이는 탁구공이 낙하 중 속도를 증가시키는 데 한계를 가지며, 따라서 느리게 낙하하게 만듭니다.
- 쇠구슬 : 무겁고 밀도가 높아 표면적 대비 질량이 큽니다. 이로 인해 공기 저항의 영향을 상대적으로 덜 받으며, 빠르게 낙하할 수 있습니다.
이러한 차이는 각 물체가 대기 중을 통과할 때 받는 공기 저항의 크기가 다르기 때문에 발생합니다. 쇠구슬은 공기 분자를 더 효과적으로 밀어내며 빠르게 낙하하는 반면, 탁구공은 이러한 저항을 덜 극복하므로 속도가 상대적으로 느려집니다. 결과적으로, 공기 중에서의 낙하 실험에서 쇠구슬이 탁구공보다 먼저 지면에 도달하는 현상을 관찰할 수 있습니다. 이러한 현상은 공기 저항의 다이내믹스(dynamics)와 관련된 물리학적 원리에 의해 설명될 수 있습니다.안녕하세요. 김재현 전문가입니다.
만약 쇠구슬과 탁구공이 진공속에서 동시에 떨어진다면 동시에 떨어질 것입니다. 하지만 공기중에서 떨어지게 되면 질량에 따라 공기저항이 달라져 쇠구슬이 먼저 떨어지게 됩니다. 무거운것이 공기저항을 덜받고 가벼운 탁구공이 공기저항을 많이 받게 되기 때문입니다
안녕하세요. 곽지윤 전문가입니다.
해당 질문에서 탁구공과 쇠구슬의 크기와 모양은 동일할 것으로 예상됩니다. 이를 가정하고 설명드리겠습니다.
탁구공과 쇠구슬을 같은 높이에서 떨어뜨리면 동일한 중력가속도를 받기 때문에 동일한 가속도를 같게 됩니다.
또한 탁구공과 쇠구슬은 자유낙하 운동을 할때 공기의 저항을 받게됩니다. 이때 공기 저항의 크기를 결정짓는 것은 물체의 크기, 모양, 속력입니다. 떨어지는 물체의 질량은 공기의 저항과 무관합니다.
즉 탁구공과 쇠구슬의 공기 저항력은 속도가 같다면 동일합니다.
자유낙하하는 물체가 받는 힘의 총합은 (질량 x 중력가속도) - 공기 저항력 입니다.
결론적으로 탁구공과 쇠구슬 중 쇠구슬의 질량이 더 크기 때문에 낙하하는 방향으로 더 큰 힘을 받게되고 더 빨리 떨어지는 것입니다.
추가로 공기저항력이 없는 진공상태에서는 두 물체의 가속도가 같이 때문에 동시에 바닥에 떨어지게됩니다.
감사합니다.