롤러코스터의 역학적 에너지 보존



역학적 에너지 보존법칙

롤러코스터를 살펴보면 아주 재미있는 것을 발견할 수 있습니다. 아니, 아무것도 발견할 수 없다는 것이 오히려 재미있는 것인가요? 바로 롤러코스터 바디에는 엔진이 없다는 것입니다. 처음에 외부 모터를 이용해서 롤러코스터를 가장 높은 곳까지 끌어올립니다. 그러면 그 이후에는 롤러코스터가 저절로 움직입니다.

바로 여기에 역학적 에너지 전환과 보존이 적용됩니다. 높은 곳으로 끌어올리면 롤러코스터는 아주 큰 위치 에너지를 가집니다. 이 롤러코스터가 밑으로 내려오면서 위치 에너지가 줄어들고, 이 줄어든 위치 에너지만큼 운동 에너지가 증가합니다. 즉, 롤러코스터가 내려올 때는 위치 에너지가 운동 에너지로 변하면서 롤러코스터의 속력이 증가합니다.

그렇다면 롤러코스터가 가장 빠를 때는 언제일까요? 속력이 가장 빠르다는 것은 운동 에너지가 가장 크다는 것이고, 이것은 또 위치 에너지가 가장 작다는 것을 의미합니다. 즉, 바닥에 있을 때 롤러코스터의 속력은 가장 빠릅니다.

이것은 바이킹 놀이기구에서도 같습니다. 바이킹 놀이기구는 끝에서 가장 높이 올라가 있고, 바닥에서 가장 빠릅니다. 역시 모든 지점에서 운동 에너지와 위치 에너지는 한쪽이 줄어들면 반대쪽이 늘어납니다. 두 에너지의 합인 역학적 에너지는 항상 같은 값을 유지합니다.

하지만 엄밀히 말해서, 우리가 사는 세상에서 역학적 에너지가 보존되는 예는 찾아보기 힘듭니다. 바로 공기의 저항이나 마찰 때문입니다. 아주 높은 곳에서 떨어지는 빗방울을 역학적 에너지 보존으로 생각하면 무시무시하게 빠른 속도가 되어 빗방울에 의해 건물이 파괴될 수 있을 것입니다. 물론 실제로는 마찰로 인해 그런 일이 일어나지 않습니다.