선운동 - 실험 도서관

등속 직선 운동

등속 직선 운동은 물체가 일정한 속도로 한 방향으로 운동하는 경우를 말한다. 이 경우 가속도는 $a = 0$ 이고, 물체는 시간에 따라 일정한 거리만큼 이동한다.

등속 직선 운동의 경우, 물체의 위치 $\mathbf{r}(t)$ 는 시간 $t$ 에 대해 다음과 같이 표현된다:

$\mathbf{r}(t) = \mathbf{r}_0 + \mathbf{v} t$

여기서: - $\mathbf{r}_0$ 는 초기 위치 벡터 - $\mathbf{v}$ 는 일정한 속도 벡터 - $t$ 는 시간

이 운동에서 중요한 개념은 변위와 속도이다.

변위

변위는 물체가 초기 위치에서 얼마나 이동했는지를 나타낸다. 변위는 다음과 같이 계산된다:

$\Delta \mathbf{r} = \mathbf{r}(t) - \mathbf{r}_0$

속도

속도는 시간에 대한 변위의 변화율로 정의된다. 등속 운동에서는 속도가 일정하므로, 속도는 다음과 같이 주어진다:

$\mathbf{v} = \frac{\Delta \mathbf{r}}{\Delta t} = \frac{\mathbf{r}(t) - \mathbf{r}_0}{t}$

속도는 방향을 가지는 벡터 양이다. 즉, 물체가 이동하는 방향과 크기를 동시에 나타낸다.

가속 직선 운동

가속 직선 운동은 물체가 일정한 가속도로 움직이는 경우를 말한다. 이때 물체의 속도는 시간이 지남에 따라 변한다.

가속 직선 운동의 경우, 물체의 속도 $\mathbf{v}(t)$ 와 위치 $\mathbf{r}(t)$ 는 다음과 같이 표현된다:

$\mathbf{v}(t) = \mathbf{v}_0 + \mathbf{a} t$

$\mathbf{r}(t) = \mathbf{r}_0 + \mathbf{v}_0 t + \frac{1}{2} \mathbf{a} t^2$

여기서: - $\mathbf{v}_0$ 는 초기 속도 벡터 - $\mathbf{a}$ 는 일정한 가속도 벡터

가속도

가속도는 시간에 대한 속도의 변화율로 정의된다:

$\mathbf{a} = \frac{\Delta \mathbf{v}}{\Delta t} = \frac{\mathbf{v}(t) - \mathbf{v}_0}{t}$

가속도는 물체가 얼마나 빠르게 속도를 변화시키는지, 즉 물체가 더 빨라지거나 느려지는 정도를 나타낸다.

등가속도 운동의 속도와 위치

가속 직선 운동에서 속도와 위치는 각각 시간의 함수로 나타난다. 등가속도 운동에서, 물체의 위치와 속도는 다음과 같은 식으로 계산된다:

속도:

$\mathbf{v}(t) = \mathbf{v}_0 + \mathbf{a} t$

위치:

$\mathbf{r}(t) = \mathbf{r}_0 + \mathbf{v}_0 t + \frac{1}{2} \mathbf{a} t^2$

이 식들은 물체의 초기 속도와 가속도를 알고 있을 때, 특정 시간 $t$ 에서의 위치와 속도를 계산하는 데 사용된다.

운동의 3가지 경우

가속 직선 운동에서는 물체의 운동을 세 가지 주요 경우로 나눌 수 있다. 각각의 경우는 가속도의 부호에 따라 결정된다.

양의 가속도: 가속도가 양수일 때 물체는 더 빨라진다. 속도의 크기가 시간이 지남에 따라 증가하며, 물체는 더 큰 거리를 이동한다.

$\mathbf{a} > 0$

음의 가속도: 가속도가 음수일 때 물체는 더 느려진다. 속도의 크기가 감소하며, 결국 정지에 가까워질 수 있다. 이 경우 종종 "감속"이라고 불린다.

$\mathbf{a} < 0$

가속도가 0일 때: 이 경우 물체는 일정한 속도로 움직이다. 즉, 등속 직선 운동을 하게 된다.

$\mathbf{a} = 0$

운동 거리 계산

등가속도 직선 운동에서 물체가 일정한 가속도 $\mathbf{a}$ 로 움직일 때, 일정한 시간 $t$ 동안 이동한 거리는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.

$d = \mathbf{v}_0 t + \frac{1}{2} \mathbf{a} t^2$

이 식에서: - $d$ 는 이동한 거리 - $\mathbf{v}_0$ 는 초기 속도 - $t$ 는 시간 - $\mathbf{a}$ 는 가속도

위 식을 통해 물체가 처음에 어느 정도의 속도를 가지고 있었는지, 그리고 얼마나 오랫동안 가속 또는 감속했는지에 따라 이동한 거리를 계산할 수 있다.

등가속도 운동의 시각적 표현

등가속도 직선 운동을 시각적으로 표현하기 위해, 시간에 따른 속도와 위치의 변화를 그래프로 나타낼 수 있다. 이를 더 잘 이해하기 위해 다음과 같은 속도-시간, 위치-시간 그래프가 사용된다.

속도-시간 그래프

속도-시간 그래프에서 $t = 0$ 에서 시작하는 경우, 가속도가 일정하다면 속도는 시간에 대해 선형적으로 증가하거나 감소한다. 즉, 그래프는 직선이다.

graph LR A(시작점) --> B(등가속도) B --> C(속도 증가)

위치-시간 그래프

위치-시간 그래프에서는 속도가 증가함에 따라 물체가 이동한 거리가 시간이 지남에 따라 점점 더 커진다. 따라서 그래프는 포물선의 형태를 띠게 된다.

graph LR A(초기 위치) --> B(등가속도) B --> C(위치 증가)

이와 같은 그래프들은 등가속도 운동을 이해하는 데 도움이 되며, 물체의 위치와 속도의 시간적 변화를 쉽게 시각화할 수 있다.

시간에 따른 속도와 위치 관계

등가속도 운동에서는 시간에 따른 속도와 위치의 관계를 다른 방식으로도 표현할 수 있다. 시간 변수 $t$ 를 제외하고 속도와 위치의 관계를 구하면 다음과 같은 중요한 식을 얻을 수 있다.

속도와 변위의 관계

가속도가 일정할 때, 속도와 변위 사이의 관계는 다음과 같다:

$\mathbf{v}^2 = \mathbf{v}_0^2 + 2 \mathbf{a} \Delta \mathbf{r}$

여기서: - $\mathbf{v}$ 는 최종 속도 - $\mathbf{v}_0$ 는 초기 속도 - $\mathbf{a}$ 는 가속도 - $\Delta \mathbf{r}$ 는 변위

이 식은 주어진 가속도와 초기 속도를 알고 있을 때, 변위를 통해 물체의 최종 속도를 계산할 수 있게 해준다.

운동의 그래프적 해석

운동을 이해할 때, 속도-시간 그래프와 변위-시간 그래프를 통해 물체의 움직임을 시각적으로 분석할 수 있다.

속도-시간 그래프

속도-시간 그래프에서 가속도가 일정하다면, 속도는 시간에 따라 선형적으로 변화한다. 즉, 그래프는 기울기가 일정한 직선으로 나타난다. 속도의 변화율은 가속도를 나타내며, 그래프의 기울기는 가속도에 비례한다.

다음 그래프는 속도가 증가하는 경우(양의 가속도)를 보여준다:

graph LR A(시작점) --> B(속도 증가) B --> C(최종 속도)

속도가 감소하는 경우(음의 가속도)에서는 그래프가 반대로 기울어져서 속도가 감소하는 양상을 나타낸다.

변위-시간 그래프

변위-시간 그래프는 등가속도 운동에서 물체의 위치 변화를 포물선 형태로 나타낸다. 초기 속도가 있을 경우, 물체는 직선 운동을 시작하고 가속도에 의해 점차 더 멀리 이동한다.

다음 그래프는 변위가 증가하는 경우를 시각적으로 나타낸다:

graph LR A(초기 위치) --> B(변위 증가) B --> C(최종 위치)

가속도가 음수인 경우, 변위-시간 그래프는 반대 방향으로 포물선을 그리며 나타나게 된다.

중력 가속도와 자유 낙하

등가속도 운동의 한 가지 중요한 예는 중력 가속도에 의한 자유 낙하이다. 중력에 의한 가속도는 일정하며, 지구 표면에서의 값은 약 $9.81 \, \text{m/s}^2$ 이다. 물체가 자유 낙하할 때는 다음과 같은 운동 방정식을 사용할 수 있다.

위치

$y(t) = y_0 + v_0 t - \frac{1}{2} g t^2$

여기서: - $y(t)$ 는 시간 $t$ 에서의 물체의 높이 - $y_0$ 는 초기 높이 - $v_0$ 는 초기 속도 - $g$ 는 중력 가속도

속도

$v(t) = v_0 - g t$

이 식들은 물체가 중력에 의해 가속되는 상황을 설명하며, 중력 가속도에 의한 운동을 계산하는 데 사용된다.

등속 직선 운동과 가속 직선 운동의 비교

등속 직선 운동과 가속 직선 운동은 몇 가지 주요 차이점이 있다.

속도의 변화: 등속 직선 운동에서는 속도가 일정하지만, 가속 직선 운동에서는 속도가 시간이 지남에 따라 변화한다.
거리 계산: 등속 직선 운동에서는 단순히 속도와 시간을 곱하여 거리를 계산할 수 있지만, 가속 직선 운동에서는 시간의 제곱에 비례하는 항이 추가된다.

이를 요약하면, 두 운동 모두 직선 운동을 따르지만, 속도와 가속도의 유무에 따라 그 성질이 달라진다.