재미있는 포물선 운동 - 골프와 곡사포 실제 사례
프롤로그 이번 글에서는 고전 역학으로 물체의 운동을 풀어보면서 물리학에 대한 상당한 흥미와 재미를 느끼게 하는 포물선 운동에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 포물선 운동 초기 속도 v 0 이고 질량 m인물체가 지표면에 수직인 y 방향으로만 운동을 한다면 중력만 작용하고 다른 힘은 없으므로 힘과 속도 그리고 위치는 아래와 같은 수식으로 표시됩니다. F = m a = −m g → 벡터 표기 v = v 0 − g t → 시간 t에 대한 적분 F = ma = −mg → 스칼라 표기 v = v 0 − gt → 시간 t에 대한 적분 y = y 0 + v 0 t − 1/2·gt 2 → 시간 t에 대한 적분 여기서 g는 중력 가속도, v 0 는 초기 속도, y 0 는 초기 높이를 의미합니다. 일정 높이에서 떨어지는 물체의 자유낙하 운동은 v t c = (2y 0 / g) 1/2 신기하게도 물체 질량에 무관하게 초기 높이가 높을수록 땅에 떨어지는 데까지 걸리는 시간은 증가합니다. 그런데 물체의 초기 속도 방향이 수직이 아니고 지표면과 θ의 각을 이룬다면, 속도는 아래의 그림과 같이 x 성분과 y 성분으로 나뉘며 사인과 코사인 함수로 표시됩니다. 여기서도 중력은 지표면에 수직인 y 방향으로만 작용합니다. v x = v 0 cosθ v y = v 0 sinθ − gt x = x 0 + v 0 cosθ·t y = y 0 + v 0 sinθ·t − 1/2·gt 2 포물선 운동 조금 더 간단히 하기 위해 물체의 초기 위치를 0이라고 하고, 시간 t를 수평 거리 x로 풀어서 수직 거리 y에 대입하면 t = x / (v 0 cosθ) y = v 0 sinθ·t − 1/2·gt 2 = (tanθ)·x − [g / (2·v 0 2 cos 2 θ)]·x 2 가 되어 전형적인 포물선 방정식이 되며, 물체가 포물선 운동을 하...