같은 높이에서 굴렸는데, 공과 고리의 착지가 다를까요?

가상 경사로에서 같은 질량의 공과 고리를 굴립니다. 에너지가 모두 보존되어도 회전에 들어가는 몫이 다르면 앞으로 나가는 속력이 달라요. 같은 높이의 출구에서 착지 거리를 비교해요.

목재 경사면과 종 생성 이미지

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

가상 경사로에서 질량이 같은 균질한 공과 얇은 고리를 정지 상태로 놓아요. 미끄러지지 않고 굴러 수직 높이 1m를 내려온 뒤 수평 출구를 떠납니다. 출구에서 바닥까지는 다시 1m이며 중력 가속도는 10m/s²입니다. 에너지 손실과 공기 저항은 없다고 정할게요. 두 물체의 착지 거리는 같을까요?

질량 m, 반지름 r, 관성 모멘트 I=κmr²로 쓰면 균질한 공은 κ=2/5, 얇은 고리는 κ=1입니다. 굴림 각속도는 v/r이므로 출구의 에너지는 다음과 같아요.

10m=12mv2(1+κ)10m=\frac12mv^2(1+\kappa)

공은 v²=100/7, 고리는 v²=10입니다. 출발 위치 에너지는 같지만 회전 몫이 큰 고리는 중심이 앞으로 가는 속력이 더 작아요. 출구 뒤 회전은 수평 이동 에너지로 바뀌지 않는다고 정해요.

두 물체 모두 수평으로 떠나므로 낙하 시간은 √(2×1/10)=√0.2초예요. 수평 착지 거리의 제곱은 공이 (100/7)×0.2=20/7, 고리가 10×0.2=2입니다. 거리는 약 1.69m와 1.41m입니다.

고리의 거리와 공의 거리 비는 √(7/10), 약 0.837입니다. 질량이 같은지보다 에너지가 어느 운동에 나뉘는지를 봐야 해요. 높이만으로 착지 눈금을 정한 장치에 다른 회전 관성의 물체를 쓰면, 같은 눈금을 그대로 적용할 수 없는 이유가 드러나요.

참고한 수학 개념: Exploratorium · Gravity Powered Calculator.

이 글의 생활 상황과 계산 예시는 수학 이야기에서 새로 구성했습니다.

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