같은 높이에서 떨어뜨린 공이라도 바닥의 재질에 따라 튀어 오르는 높이가 다른데, 충돌할 때 에너지가 전달되는 방식이 다른 것일까요?

Question

같은 높이에서 떨어뜨린 공이라도 바닥의 재질에 따라 튀어 오르는 높이가 다른데, 충돌할 때 에너지가 전달되는 방식이 다른 것일까요?

Answer 1

안녕하세요. 신광현 전문가입니다.

같은 높이에서 떨어뜨려도 바닥 재질에 따라 튀는 높이가 다른 이유는, 충돌 때 에너지가 얼마나 잘 되돌아오느냐가 다르기 때문입니다.

공이 바닥에 닿으면 잠깐 눌리면서 에너지가 탄성 에너지로 바뀌고, 다시 원래 모양으로 돌아오면서 위로 튀어 오릅니다.

이때 단단하고 탄성이 좋은 바닥은 에너지를 잘 돌려줘서 더 높이 튀고, 부드럽거나 에너지를 많이 흡수하는 바닥은 열·소리·변형으로 에너지가 더 많이 빠져나가 덜 튑니다.

즉, 에너지 전달 방식이 완전히 달라진다기보다, 에너지가 저장되고 복원되는 효율이 바닥 재질마다 달라서 튀는 높이가 달라집니다.

이 차이는 보통 반발계수로 설명합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

맞아요, 충돌 순간 에너지가 어디로 가느냐에요. 공이 바닥에 부딪히면 낙하하며 얻은 운동에너지가 공과 바닥이 찌그러지는 변형으로 잠시 저장돼요. 이 때 재질이 탄성이 좋으면 스프링처럼 원래 모양으로 되튀면서 저장한 에너지를 공에게 돌려주고, 그 힘으로 공이 다시 튀어오르는 거예요.

그런데 바닥이 모래나 흙, 카펫처럼 무른 재질이면 이야기가 달라져요. 찌그러진 모양이 제대로 복원되지 않고, 에너지가 알갱이들 사이의 마찰과 미세한 진동, 즉 열과 소리로 흩어져버리거든요. 돌려받을 에너지가 없으니 공이 낮게 튀거나 아예 안 튀는 거죠. 같은 공이라도 대리석에는 잘 튀고 모래밭에서는 푹 박히는 이유예요. 트램펄린 위에서 높이 튀는 것도 천이 늘어났다 되돌아오며 에너지를 거의 그대로 반환해 주기 때문이구요.

그러니까 에너지 총량은 어디서든 보존되는데, 튕겨 되돌려주느냐 열과 소리로 흘려버리느냐의 비율이 재질마다 다른거예요. 잘 튀는 바닥은 에너지를 되갚는 바닥이라는 것만 보시면 돼요 :)