뉴턴의 진자






뉴턴의 진자는

다섯개의 쇠구슬로 이루어져 있고, 구슬의 회전을 막기위해 각 구슬은 두개의 실에 매달려 있습니다.

원래 뉴턴의 진자는 뉴턴의 제3법칙을 보여주기 위해 만들어졌습니다. 한쪽에서 구슬을 충돌시키면 반대편을 거쳐 같은 충격이 다시 돌아옵니다.

움직이는 과정

하나의 볼을 멀리 당겨서 낙하시키면, 낙하된 공은 아래에 나열된 공을 친 후 완전히 멈춥니다. 반대편의 한 공은 즉시 낙하되었던 공과 같은 속도를 가지고 위로 올라갑니다. 위로 올라가는 공은 처음에 볼을 당겼던 높이와 거의 같은 높이까지 올라갑니다.
이것은 튀어 올라간 공이 낙하했던 공의 에너지와 운동량의 대부분을 물려받았음을 나타냅니다. 중간의 공들은 가만히 있으면서 압축으로 만들어진 파동을 전달하기만 합니다. 파동이 전해지는 동안 일부의 에너지는 열로 손실됩니다.

에너지의 손실이 없다고 하면 튀어나오는 공의 개수는 떨어뜨리는 공의 개수와 항상 일치합니다. 즉 두 개의 볼을 떨어뜨리면 반대편에서는 두 개의 볼이 튀어 오르고, 세 개의 볼을 떨어뜨리면 반대편에는 세 개의 볼이 튀어 오릅니다.

하나의 공을 낙하시킬 때

뉴턴의 진자는 완전탄성체의 운동량(= mv)과 운동 에너지(= 1/2 mv2) 보존 법칙으로 설명합니다.

두 개의 공이 같은 질량이면 충돌은 간단하게 설명할 수 있습니다. 충격을 받은 물체는 충격을 준 물체의 운동량과 운동 에너지를 완벽하게 넘겨 받습니다. 완전탄성체의 경우에서는 열 및 소리 에너지로 손실이 발생하지 않습니다. 단단한 쇠공은 압축이 잘 되지 않지만, 탄력성이 있어서 에너지 손실을 잘 일으키지 않고 에너지를 효율적으로 전달합니다.

두 개 이상의 공을 낙하시킬 때

두 개의 공을 들어올린 다음 세 번째 공을 향해 떨어뜨리는 과정을 생각해 봅시다. 미세한 차이로 두 번째 공이 세 번째 공을 먼저 때립니다. 완전탄성체의 충돌법칙에 따라 세 번째 공은 운동량과 운동 에너지는 넘겨 받아서 움직이고 낙하했던 두 번째 공은 정지합니다. 이렇게 정지한 두 번째 공을 같이 낙하했던 첫 번째 공이 때리면서 다시 움직이게 됩니다. 이런 과정에 반복되어 결국 두 개의 공을 들어올린 다음 떨어뜨리면 반대편 두 개의 공이 같은 속도로 튀어 올라옵니다.

마찰로 발생하는 현상

뉴턴의 진자는 단순 마찰에 의해 운동량과 운동 에너지가 조금씩 감소합니다. 실제로 뉴턴의 진자에서 낙하하는 공은 충돌 직후 마찰에 의해 약간씩 뒤로 밀려납니다. 이러한 효과가 누적되면 얼마간의 시간이 지난 후 모든 공이 동시에 조금씩 흔들리는 것으로 바뀌며, 결국에는 전체적인 움직임도 멈춥니다.