역학적에너지

요약 물체의 운동상태에 따라 결정되는 운동에너지, 물체의 위치에 따라 정해지는 위치에너지의 합으로서 기계적에너지라고도 한다.

낙하하는 물체의 역학적 에너지 전환과 보존

역학적에너지는 물체의 속력에 따라 결정되는 운동에너지와 물체의 위치에 따라 결정되는 위치에너지의 합으로 이루어진다. 외부의 물리적 작용이 없을 때 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하게 유지된다. 그리고 위치에너지가 운동에너지로, 또는 그 반대로 전환되기도 한다. 예를 들어, 중력에 의해 위치에너지가 결정되는 계의 역학적에너지는



(m: 질량, v: 속력, g: 중력가속도, h: 높이)
와 같은 식으로 주어진다.

역학적에너지의 전환

야구공을 지면에서 수직 위로 던져보자. 처음에는 위치가 가장 낮고 속력이 가장 빠르므로 위치에너지는 최소, 운동에너지는 최대이다. 높이가 높아지면 속력이 감소하므로 위치에너지는 증가하고 운동에너지는 감소한다. 최고 높이에서는 속력이 0이므로 위치에너지는 최대, 운동에너지는 0으로 최소가 된다. 반대로 내려올 때는 위치에너지가 감소하고 운동에너지는 증가한다. 이렇게 위치에너지가 증가하면 운동에너지가 감소하고, 운동에너지가 증가하면 위치에너지가 감소하는 것을 역학적에너지의 전환이라 한다.

역학적에너지 보존법칙

역학적에너지가 서로 전환될 때, 마찰이나 공기의 저항 등으로 손실되는 에너지가 없다면 감소하는 양과 증가하는 양은 항상 같다. 따라서 물체가 가지는 위치에너지와 운동에너지의 합인 역학적에너지는 일정하게 유지되는데, 이를 역학적에너지 보존법칙이라 한다. 위의 야구공의 예를 들어 보자. 지면에서 위치에너지는 0, 운동에너지는 T라고 하고, 최고 높이에서 위치에너지는 V, 운동에너지는 0이라고 하자. 이때 역학적에너지 보존에 의해 T와 V는 같다. 즉, 지면에서 운동에너지의 형태이던 역학적에너지가 높이가 높아지면서 점점 위치에너지로 형태를 바꾸어 최고 높이에서는 모두 위치에너지가 된 것이다.

만약 마찰력이 작용한다면 역학적에너지의 일부가 열에너지, 소리에너지, 빛에너지 등으로 바뀌어 역학적에너지가 보존되지 않는다. 예를 들어 높은 곳에서 공을 떨어뜨리면 공이 다시 튀어오르고 그 다음은 떨어뜨린 높이보다 점점 적게 튀어 올라오다가 멈추게 된다. 공은 공기 저항과 마찰로 인해 접촉면에 열이 발생하고 이로인해 역학적에너지의 일부가 열에너지 등으로 빠져나간다. 즉 줄어든 역학적에너지는 열에너지 등으로 전환됨을 알 수 있다.

손뼉을 칠 때, 움직이던 손이 멈추기 때문에 손의 운동에너지는 사라지고 위치에너지가 증가하지도 않는다. 이때 운동에너지는 소리에너지와 열에너지로 전환되어 손뼉 소리와 함께 열을 낸다. 이렇게 역학적에너지가 보존되지 않을 때에도 에너지의 총량은 일정하게 유지된다. 이를 에너지 보존법칙이라 한다.

보존

일반적으로 운동체의 위치에너지와 운동에너지는 서로 전환할 수 있으며, 비보존력이 외부 힘으로 작용하지 않는 한 서로 전환하여 그 합은 항상 일정하게 유지된다. 진자의 운동을 예로 들면, 추의 운동에너지는 가장 낮은 위치에서 최대가 되고 가장 높은 위치에서 최소가 되어 양쪽 에너지의 합은 일정하게 유지된 채 운동을 계속한다(이때 공기의 저항은 생각하지 않는다).

이러한 관계를 역학적 에너지보존법칙이라 하며, 이 법칙이 성립하는 역학계를 보존계(保存系)라고 한다. 진자의 운동 외에 용수철의 진동도 그 전형적인 예가 된다. 그러나 이 경우 에너지보존법칙은 역학적 과정에 한해 성립되는 것이며, 여기에 다른 형태의 에너지(열·전기 등)가 관여할 때는 성립하지 않는다.

이러한 점을 극복하고 에너지 변화과정을 모든 에너지로 확장하여 모든 에너지에 대해 보존법칙이 성립한다는 것이 열역학 제1법칙이다. 이 법칙은 물리학 전반에 걸쳐 성립하는 기본법칙으로 인정한다.