힘의 작용과 운동/낙하 운동

낙하 운동

준비물

고무 마개, 유리관, 진공 펌프, 깃털, 쇠구슬, 종이 테이프, 타이머, 추, 스탠드

목표

손에 들고 있던 물체를 살며시 놓으면 지구 중력의 작용으로 인해 아래로 떨어진다. 가벼운 물체와 무거운 물체는 어떻게 떨어지는지 알아본다.

실험관찰

① 길이 1m 정도인 유리관 속에 쇠구슬과 깃털을 넣고, 관 속의 공기를 그대로 둔 채 재빨리 뒤집어 떨어뜨려 보자. 쇠구슬과 깃털은 어떻게 떨어지는가?② 고무 마개의 콕을 통하여 진공 펌프로 관 속의 공기를 빼내어 진공으로 만든 다음 ①과 같은 실험을 해 보자.③ 그림과 같이 1초마다 테이프에 점을 찍는 타이머에 긴 종이 테이프를 끼우고, 테이프 끝에 추를 매단다. 추를 자유 낙하시키면 테이프가 아래로 풀려 내려오는데, 실험 후 테이프에 찍힌 점 사이의 구간이 2개씩 되도록 잘라 차례로 늘어놓아 보자. 시간과 테이프의 길이는 어떤 관계가 있는가?

결과

① 쇠구슬이 깃털보다 빨리 떨어진다. 쇠구슬은 곧바로 떨어지지만 깃털은 천천히 떨어진다.② 쇠구슬과 깃털이 같은 속도로 떨어진다. 위의 두 실험에서 가벼운 물체가 천천히 떨어지는 것은 공기의 저항 때문이며, 진공 중에서는 떨어지는 속도가 그 물체의 무게와는 관계가 없다는 것을 알 수 있다. 빗면을 굴러 내려오는 물체도 공기의 저항만 없다면 무게에 관계없이 같은 속도로 내려오게 된다.③ 테이프의 길이는 시간에 비례한다는 것을 알 수 있다. 다시 말하면 속도가 일정한 비율로 늘어난다. 이 비율이 가속도인데, 자유 낙하의 경우 가속도는 지구 중력의 가속도 g와 같다.