단순 진동 운동 - 실험 도서관

단순 진동 운동의 개념

단순 진동 운동은 특정 평형 위치를 중심으로 반복적으로 움직이는 운동을 의미한다. 진동 운동은 주로 물리적 시스템에서 나타나며, 외부 힘에 의해 구동되지 않는 시스템에서 발생하는 자연 진동을 설명한다. 이러한 운동은 주기적이며, 일반적으로 사인파 또는 코사인파 형태로 기술된다.

단순 조화 운동(Simple Harmonic Motion, SHM)

단순 진동 운동의 대표적인 예로는 단순 조화 운동이 있다. 이는 변위가 시간에 따라 사인 함수 또는 코사인 함수로 기술될 수 있는 진동 운동이다. 시스템이 평형점으로부터 얼마나 벗어나 있는지를 나타내는 변수인 변위를 $x(t)$ 로 정의할 수 있다. 단순 조화 운동에서 변위는 다음과 같은 방정식으로 표현된다:

$x(t) = A \cos(\omega t + \phi)$

여기서: - $A$ 는 진폭(amplitude)으로, 시스템이 최대한 벗어나는 거리이다. - $\omega$ 는 각진동수(angular frequency)로, 운동의 주기성을 결정짓는다. - $t$ 는 시간(time)이다. - $\phi$ 는 초기 위상(initial phase)으로, $t = 0$ 일 때의 시스템의 위치를 결정한다.

복원력과 운동 방정식

단순 진동 운동은 일반적으로 시스템이 평형점으로 돌아오려는 복원력에 의해 발생한다. 이 복원력은 훅의 법칙(Hooke's Law)에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다:

$F = -k x$

여기서: - $F$ 는 복원력(restoring force)이다. - $k$ 는 스프링 상수(spring constant) 또는 계수이다. - $x$ 는 변위(displacement)이다.

이제 뉴턴의 운동 법칙을 적용하여 운동 방정식을 세울 수 있다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 힘은 질량과 가속도의 곱으로 나타나므로 다음과 같이 쓸 수 있다:

$F = m \frac{d^2 x}{dt^2}$

여기서: - $m$ 은 질량(mass)이다. - $\frac{d^2 x}{dt^2}$ 는 가속도(acceleration)이다.

복원력 방정식을 운동 방정식에 대입하면:

$m \frac{d^2 x}{dt^2} = -k x$

이 식을 정리하면 다음과 같은 미분 방정식을 얻을 수 있다:

$\frac{d^2 x}{dt^2} + \frac{k}{m} x = 0$

위 식에서 각진동수 $\omega$ 는 다음과 같이 정의된다:

$\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$

따라서 운동 방정식은 다음과 같이 재작성할 수 있다:

$\frac{d^2 x}{dt^2} + \omega^2 x = 0$

이 방정식은 단순 조화 운동을 기술하는 2차 미분 방정식이다.

단순 조화 운동의 해

앞서 유도한 미분 방정식:

$\frac{d^2 x}{dt^2} + \omega^2 x = 0$

이 방정식은 2차 상미분 방정식으로, 그 해는 다음과 같은 일반적인 형태를 가진다:

$x(t) = A \cos(\omega t + \phi)$

여기서: - $A$ 는 진폭(amplitude)으로, 최대 변위 값을 나타낸다. - $\omega$ 는 각진동수(angular frequency)로, 운동의 속도를 결정한다. - $\phi$ 는 초기 위상(initial phase)으로, 시간 $t = 0$ 에서의 변위 상태를 나타낸다.

이 해는 시스템이 주기적으로 진동하는 모습을 나타낸다.

속도와 가속도

변위 $x(t)$ 에서 속도 $v(t)$ 와 가속도 $a(t)$ 는 각각 변위의 1차 및 2차 미분으로 구할 수 있다.

속도

속도 $v(t)$ 는 변위 $x(t)$ 의 시간에 대한 미분으로 정의된다:

$v(t) = \frac{dx(t)}{dt} = -A \omega \sin(\omega t + \phi)$

이 속도 함수는 시간에 따라 사인 함수로 표현되며, 진폭은 $A \omega$ 이다. 이는 시스템이 평형점에서 가장 빠르게 움직이며, 최대 변위에서 속도가 0이 됨을 의미한다.

가속도

가속도 $a(t)$ 는 속도 $v(t)$ 의 시간에 대한 미분으로 정의된다:

$a(t) = \frac{d v(t)}{dt} = -A \omega^2 \cos(\omega t + \phi)$

가속도는 변위와 같은 형태로 사인 함수로 표현되지만, 진폭은 $A \omega^2$ 이며, 변위와 동일한 위상 관계를 가진다.

운동의 에너지

단순 진동 운동에서의 총 에너지는 시스템이 운동 중에 보존되는 에너지로, 운동 에너지와 위치 에너지의 합으로 표현된다.

운동 에너지

운동 에너지는 시스템의 속도에 의해 결정되며, 다음과 같이 나타낼 수 있다:

$E_k = \frac{1}{2} m v(t)^2 = \frac{1}{2} m A^2 \omega^2 \sin^2(\omega t + \phi)$

위치 에너지

위치 에너지는 시스템의 변위에 의해 결정되며, 다음과 같이 나타낼 수 있다:

$E_p = \frac{1}{2} k x(t)^2 = \frac{1}{2} k A^2 \cos^2(\omega t + \phi)$

여기서 $k = m \omega^2$ 임을 상기하면, 위치 에너지는 다음과 같이 쓸 수 있다:

$E_p = \frac{1}{2} m \omega^2 A^2 \cos^2(\omega t + \phi)$

총 에너지

단순 조화 운동에서의 총 에너지는 운동 에너지와 위치 에너지의 합으로 나타난다:

$E_{total} = E_k + E_p = \frac{1}{2} m A^2 \omega^2 (\sin^2(\omega t + \phi) + \cos^2(\omega t + \phi))$

삼각함수의 항등식 $\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1$ 을 이용하면, 총 에너지는 시간에 관계없이 일정함을 알 수 있다:

$E_{total} = \frac{1}{2} m A^2 \omega^2$

즉, 단순 진동 운동에서 총 에너지는 보존되며, 진폭과 각진동수에만 의존한다.