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일반물리학 실험 - 힘의 평형
1. 실험목적
힘을 받는 물체가 평형상태에 있기 위한 조건을 알아보고 힘의 분해와 합성 및 회전력의 개념을 이해한다.
2. 실험원리
물체에 작용하는 외력의 합이 0이 되거나 회전력의 합이 0일 때 물체는 평형상태에 있다. 물체의 평형을 논의할 때는 병진과 회전에 관한 평형을 동시에 고려하여야 한다. 따라서 다음과 같은 두 개의 조건을 만족하여야 한다.
(1) 병진 평형은 물체에 작용하는 모든 힘의 합이 0이 되어야 한다. 즉 다음 조건을 만족하여야 한다.
이 식은 물체의 속도가 일정하거나 정지해 있음을 의미!!
(2) 회전 평형은 임의의 점에 대한 회전력의 합이 되어야 한다. 즉 다음 조건을 만족하여야 한다.
이것은 각운동량이 일정(혹은0)함을 의미한다.
강체의 평형상태를 논의할 때는 위의 두 조건을 모두 만족해야 한다. 하지만 본 실험은 한 질점의 평형상태를 다루므로 병진 평형조건만 만족하면 된다.
벡터는 크기와 방향을 동시에 가지는 물리량으로써 힘은 벡터로 나타낼 수 있다. 따라서 힘의 평형 조건은 벡터의 분해와 합성의 방법으로 구할 수 있다. 한편, 벡터의 분해와 합성을 구하는 데는 도식법(또는 작도법)과 해석법이 있다.
1. 도식법에 의한 벡터합성
그림에 주어진 벡터 와 의 합을 구해보자. 이들의 벡터합 또는 합력 은 그림과 같이 두 벡터를 한 쌍의 변으로 하는 평행사변형을 그려서 두 벡터가 만나는 점으로부터 평행사변형의 대각선을 그림으로서 구한다. 이 대각선 벡터 은 두 벡터의 합으로서 합력의 크기와 방향을 나타낸다.
두 개 이상의 벡터들의 합력을 구할 때는 다각형법을 사용하는데, 이것을 그림에서 보여주고 있다. 처음에 의 화살표 끝에서 를 그린다. 끝에 다시 의 시작점에 오게 그렸을 때 의 시작점으로부터 의 끝을 연결한 은 와 와…(생략)
가 된다. 힘 , 와 또 하나의 힘 가 평형을 이루기 이해서는 힘 , 의 합력 과 크기가 같고 방향이 반대인 힘 를 작용시키면 된다. 즉, ++ 〓 0 이다.
실험1) 힘의 측정 - 후크(Hooke)의 법칙
(1) 후크의 법칙이 만족되지 않으면 용수철을 힘을 측정하는데 사용할 수 있는가 만일 할 수 있다면 어떻게 하는가
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