물체를 들어올릴떄 말이죠...

아주 우수한 학생이네요.

 

힘과 일에 대해 생각할 때는 항상 두 물체를 고려해야 합니다. 힘이란 반드시 A가 B에 작용하는 힘이라고 말해야만 하기 때문입니다. 이것이 바로 작용 반작용 법칙이 말해주는 것입니다. 힘이란 두 물체가 상호작용하는 과정에서 작용하는 것이기 때문에 A가 B에 힘을 작용하면 반드시 B도 A에 힘을 작용하는 것이고 두 힘이 서로 작용과 반작용 관계에 있는 것이지요.

 

일도 마찬가지입니다. 일이란 물체에 힘을 작용하면서 이동시키면 힘을 받는 물체에 일을 해서 그 물체의 에너지를 받은 일만큼 증가시키는 것이지요. 그래서 A 가 B에게 힘을 작용하며 B를 이동시키면서 일 W를 했다면 A의 에너지가 B로 이동하고 B는 그만큼 에너지가 증가하게 됩니다. 단 B의 에너지 중 어떤 종류의 에너지가 증가했는지는 일률적으로 말할 수가 없지요. 합력이 한 일은 운동에너지를 증가시키고, 마찰력이 한 일은 열에너지가 되는 정도를 알 수 는 있지요.

 

이제 위치에너지에 대해 생각해봐야 합니다.

 

내가 질량 m 을 천천히 h 만큼 들어올린다고 하지요. 이때 질량 m을 천천히 들어올린다는 말은 m 이 등속도 운동을 한다는 이야기이고 m 에 작용하는 합력이 0이라는 말입니다. 이때 m에는 두 힘이 작용하지요. 하나는 내가 위로 들어올리는 힘, 다른 하나는 중력.

 

내가 들어올리는 힘은 + 일을 m에게 해주지요. 그래서 m의 에너지가 mgh만큼 증가합니다.

그런데 중력은 m에게 -일을 해주지요. 그래서 m의 에너지가 mgh만큼 감소합니다.

 

이 이야기는 위치에너지를 물체가 지닌 에너지라고 보아서는 안된다는 의미입니다. 정말 그렇습니다. 위치에너지는 우리가 물체를 위로 들어올릴 때만 있는 것이 아니라 여러 가지 종류가 있습니다. 위치 에너지는 보존력이라는 힘에 대응하여 정의됩니다. 우리가 물체를 위로 들어올릴 때 위치에너지는 중력 위치에너지랍니다.

 

위치에너지에는 우리가 이미 배우는 탄성력 위치에너지도 있고 전기력 위치에너지도 있고, 학교에서 배우지는 않지만 핵력 위치에너지도 있습니다. 사실 모든 보존력마다 위치에너지가 정의되는데, 보존력이 아닌 힘, 또는 위치에너지와 무관한 힘은 마찰력, 장력, 수직항력밖에 없답니다.

 

위치 에너지는 사실 물체에 저장되는 것이 아니라 중력 위치에너지는 지구와 물체 사이의 공간에 저장되지요. 중력장에 저장된다고 하면 딱 좋습니다. 전기력 위치에너지는 (단위 전하당 전기력 위치에너지가 전위인데) 전하와 전하 사이의 공간에 전기장 형태로 저장됩니다. 중력 위치에너지나 꼭 마찬가지지요.

 

그런데 고등학교 까지는 이런 것을 다 이해하려면 더 기본이 되는 지식이 필요하기 때문에 중력 위치 에너지의 경우 그냥 물체의 위치에너지라고 말해버린 것이지요. 그래서 학생들은 마치 물체의 위치 때문에 물체가 갖게 되는 에너지로 잘못 이해하는 경우가 많습니다. 사실 위치에너지가 영어로는 퍼텐셜 에너지인데 퍼텐셜이라는 단어가 위치와는 전혀 관계가 없는 말이랍니다.

 

그런데 일을 이해하는 과정에서 학교에서 배우는 위치에너지의 모순점을 발견하다니... 참 우수한 학생이라고 생각합니다. 열심히 하세요. 수능을 잘보건 못보건 장래성이 아주 좋아보입니다.

안녕하세요? 물리로 인해 고생이 많으시죠^^

 

수능이 가까이 오는 데 혼란스런운 점이 발생이 되어 무척 안타깝네요.

그래도 님의 혼란을 해결할 수 있는 방법이 있군요.

 

1. 님이 제시한 중력의 한 일과 마찰력이 한 일의 차이는 무엇일까요?

2. 님이 제시한 내용의 경우 역학적에너지는 보존되는 것일까요?

 

위의 두 문제에 대해 곰곰히 생각해 보시고 그 다음 이것도 생각해 보세요.

물체를 들어서 특정한 높이로 올릴때의 상황은 정지한 상태에서 움직인 것일까요? 아니면 등속도운동하는 경우일까요?

 

마찰력에 의한 일은 역학적에너지가 감소시키지만 위에서 님이 제시한 내용의 손이 한 일은 오히려 역학적에너지를 증가시켜주고 있답니다.

 

좋은 하루 되세요.

물체에 스프링에 매달려 있습니다.

그 물체를 잡아당기면.. 잡아당기는 손은 물체에 일을 가합니다.

하지만 스프링은 반대의 방향으로 같은 힘을 가하면서 물체가 이동합니다.

물체가 받은 일과 스프링에게 준 일의 합은 0입니다.

(--> 질문하신 내용과 같은 것이죠? 대상이 스프링으로만 바꼈을 뿐..)

물체가 이동함으로써 물체가 받은 일은 모두 스프링으로 전달되어 탄성에너지로 축적됩니다.

이 때 물체가 가진 에너지량은 0이 되겠죠.

그리고 손이 가한 에너지는 물체를 지나 모두 스프링에 전달되어 있습니다.

(-->질문하신 내용과 같습니다.)

 

지구중력에 대해 위치에너지가 축적되는 것은

위의 경우와 같이 물체 외부에 있는 어떤 대상에 저장되는 것은 아닙니다.

중력에 의한 위치에너지는 물체의 질량과 관련됩니다.

위치에너지를 만드는 중력장은 그저 주위에 있는 것이고(불변)

중력장은 스프링과 달리 그 안에서 물체가 이동하여 위치에너지의 변화가 생기더라도 중력장 자체가 변화되는 것은 아닙니다. 따라서 그 안에서 질량을 가진 물체가 이동함으로써 그 위치에너지는 물체 자체에 저장되는 것으로 보는 것이 타당합니다.

 

중력장을 변화가 없는 대상으로 보는 것은

지구에 비해 물체가 너무도 작아 지구의 중력장에 미치는 영향을 무시할만하고

이동량 역시 충분히 작아 중력장의 크기가 바뀌지 않는다고 생각하기 때문입니다.