학문

단진자의 주기 결정 요인 중 실의 길이와 추의 질량 관계

천장에 매달린 단진자의 왕복 운동 주기를 지금보다 더 늘리고 싶을 때, 추의 질량을 더 높은 것으로 교체해야 하는지 아니면 매달린 실의 길이를 길게 늘려야 하는지 헷갈립니다.

1개의 답변이 있어요!

  • 안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

    실의 길이를 늘려야 해요. 추의 질량은 주기에 영향을 주지 않아요. 단진자의 주기는 T = 2π√(L/g)로, 실의 길이 L과 중력가속도 g로만 정해지고 식에 질량이 들어 있지 않아요.

    질량이 빠지는 이유는 이래요. 추를 원래 자리로 끌어당기는 힘은 중력의 성분 mg sinθ라서 질량에 비례해요. 그런데 그 힘으로 움직여야 하는 관성도 질량 m에 비례하니, 가속도를 구하면 m이 약분돼요. 무거운 공과 가벼운 공이 같은 빠르기로 떨어지는 것과 같은 원리예요.

    길이는 주기에 제곱근으로 들어가요. 길이를 두 배로 늘리면 주기는 √2배, 약 1.4배가 되고, 주기를 두 배로 만들려면 길이를 네 배로 늘려야 해요. 실 길이 1m인 진자는 한 번 왕복하는 데 약 2초가 걸리고, 4m로 늘리면 약 4초가 걸려요.

    이 식은 흔들리는 각도가 15° 이내로 작을 때 잘 맞아요. 크게 흔들면 주기가 조금 길어져요. 무거운 추는 공기 저항의 영향을 덜 받아서 오래 흔들린다는 장점이 있지만, 주기 자체를 늘리지는 못해요 :)

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