[자연과학] 정역학 실험 - 힘의 벡터 합성 실험 결과

1. 실험목적

1) 힘의 평형 상태에서 벡터 합이 0이 된다는 사실을 통해 이론적으로 힘과 수평선과 이루는 각을 계산하고 비교할 수 있다.

2) 경사면에서 힘과 경사각의 관계를 확인할 수 있다.

3) 도르래의 원리를 이해하고 실험을 통해 확인할 수 있다.

2. 이론적 배경

1) 물체의 평형

물체의 평형 상태는 물체가 원래의 상태를 변함없이 계속 유지하고 있는 것을 의미하며, 정지 상태, 등속 직선 운동 상태, 등속 회전 운동 상태 등의 모든 경우를 뜻한다. 따라서 여러 힘을 받고 있는 물체가 평형상태에 있으려면 (:힘, :돌림힘)라는 조건이 필요하다. 이번 실험에서는 질점의 평형상태를 다루므로 만 만족시키면 된다. 힘을 x축 성분과 y축 성분으로 분해했을 때 평형 상태에서는 각 성분에 해당하는 힘의 값이 0이 된다.

2) 도르래의 원리

도르래에는 고정도르래와 움직도르래가 있다. 고정도르래는 중심이 고정되어 있어 도르래에 걸친 줄의 한쪽을 당겨서 줄의 다른 쪽에 걸려 있는 물체를 끌어올리거나 끌어당기는 것이다. 따라서 단지 힘의 방향을 바꾸어주는 역할만 한다.
움직도르래는 도르래의 중심에 물체가 매달려 있고, 그 무게가 도르래에 건 줄 양쪽에 나뉘어 걸리는 도르래를 말한다. 움직도르래에 건 줄이 양쪽에서 물체의 무게를 지탱하게 되므로 물체 무게의 1/2이 되는 힘만으로도 물체를 위로 끌어올릴 수 있다. 그 대신 물체가 이동하는 거리는 끌어당긴 줄의 길이의 1/2밖에 되지 않아 물체를 직접 들어 올릴 때보다 줄을 2배 길게 끌어야 한다.

3. 실험기구

힘센서와 인터페이스, 정역학실험세트(실험판, 디지털각도계와 각도계 부착 홀더, 질량추와 추걸이, 고정도르래, 움직도르래, 회전경사판, 구름질량), 끈

4. 실험 방법

1) 힘의 벡터 합성

① 질량추와 추걸이의 질량을 측정하고 기록한다.

② 실험서의 그림과 같이 실험기구를 설치하고 힘센서와 추가 평형을 이루도록 한다.

③ 추2와 연결된 실이 수평면과 이루는 각도(α,β)와 이때의 힘을 측정한다.

④ 각도를 바꾸어 반복 실험한다.

2) 경사면에서의 힘

①구름질량을 측정하고 기록한다.

② 실험서의 그림과 같이 실험 기구를 설치한다.

③ 초기 경사판의 각도를 10°로 설정한다. 힘 센서로 이때의 힘()을 측정한다.

④ 경사각(θ)을 10°씩 늘려가며 경사각과 힘을 측정한다. 90°까지 반복한다.

3) 지레의 원리

① 질량추와 추걸이의 무게를 측정하고 기록한다.

② 고정도르래 2개를 설치하고 힘센서와 질량추를 연결 후 그 힘을 측정한다.

③ 고정도르래의 위치를 바꾸어본다. 바뀐 위치에서의 질량추에 의한 힘을 측정한다.

④ 2개의 고정도르래를 붙이고 힘 센서를 연결한다. 그 사이에 움직도르래를 연결하고 힘센서 영점을 맞춘다. 질량추를 연결하고 평형을 이루게 한다. 이때의 힘을 측정한다.

⑤ 앞의 ④상태에서 실을 잡아당기며 힘을 측정한다. 그 변화를 관찰한다.

⑥ 힘 센서를 이용해 실에 매달린 질량추에 의한 힘과 질량추를 고정도르래에 연결하였을 때 힘을 측정해보고 그 값을 비교한다.

5. 실험 결과

1) 힘의 벡터 합성

…

2) 경사면에서의 힘