에너지 보존 법칙 / 힘과 운동의 관계

에너지 보존 법칙

 

에너지 보존 법칙 

에너지는 여러가지의 형태로 존재한다. 운동도 에너지의 하나이며, 이것을 바로 운동 에너지라고 한다. 운동 에너지는 에너지가 다른 형태의 에너지로 바뀌면서 생겨난다. 에너지의 다른 예를 들어보면 스프링이 특정한 위치에서 저장한 위치 에너지, 가솔린 엔진을 움직이게한 열 에너지, 모터를 돌릴수 있는 전기 에너지, 우리 몸속 근육에 있는 화학 에너지 등이 있다.모든 기계 운동은 기본적으로  '에너지 보존 법칙'을 따른다. 이 법칙은 다른 모든 원리의 바탕이 된다. 에너지 보존 법칙에 따르면 , 기계에서 얻을 수 있는 에너지의 양은 처음 기계에 가한 에너지의 양과 똑같다.  즉, 에너지는 더 많아지지도 줄어들지도 않는다. 기계가 일할때 쓰이는 에너지의 양과 기계를 움직이면서 사용된 에너지의 양은 같다. 같은 일을 할 때 기계가 일하는데 사용한 힘을 크게 하면 일어나는 운동은 그에 따라 작아진다. 거꾸로 힘을 적게 하면 운동은 커지게 된다. 결과를 보면 에너지의 총합은 항상 일정하고, 이런 에너지 보존 법칙이 모든 운동을 지배한다.앞서 나왔던 스프링은 에너지를 저장하고 마찰은 열로 에너지를 바꾸지만 , 에너지는 형태만 바뀌었을 뿐 그 양이 줄어들거나 늘어난 것은 아니다. 만약 에너지 보존 법칙이 사라진다면 우리는 아마도 아무런 일도 할 수 없을 것이다. 기계가 움직일 때마다 에너지가 없어진다고 생각해보면 아무리 힘이 좋은 기계라도 점점 에너지를 잃어가면 결국은 멈추게 될 것이고 반대로 기계가 움직일 떄 새로운 에너지가 생겨난다면 기계는축적된 에너지로 주체할수 없이 빠르게 움직이게 될 것이다. 소리를 예로 들어보자. 이 세상에 존재하는 소리가 에너지를 잃는다면 결국 세상의 모든 소리는 사라질 것이고, 반대로 소리가 계속 커진다면 그 막대한 소음으로 세상이 폭발해 버릴지도 모른다. 다행히도 에너지 보존의 법칙은 세상 곳곳에서 잘 지켜지고 있으며, 모든 기계 또한 이 법칙을 따라 움직인다.

 

힘과 운동의 관계

대부분의 역학적 기계는 어떤 운동을 다른 형태로 바꾼다. 운동에는 앞뒤로 왔다갔다 하는 직선운동과 빙글빙글 도는 원운동이 있는데 기계들은 원운동을 직선운동으로, 직선운동을 원운동으로 바꾼다. 즉, 직선 운동으로 움직여서 동력을 얻어도 그것을 원운동으로 바꿀 수 있다는 것이다. 운동의 형태가 바뀌거나 말거나 기계 부품들은 하려는 일에 알맞은 힘의크기를 크거나 작게 변화시킨다. 사람의 힘으로 우리가 물체를 움직이려면 힘으로 밀거나 당기고 모터를 돌려서 동력을 얻는 과정이 있어야 한다. 기계란 이렇게 생긴 동력을 알맞은 크기로 크거나 작게 바꾸고 필요한 곳으로 전달한다. 깡통 따개를 사용할때 깡통 모서리에 홈을 내어 고정한 후 손잡이를 꽉 쥐고 핸들을 돌리면 절대 열릴것 같지 않은 캔을 칼날로 쉽게 딸수 있다. 맨손으로 하기 힘든 일이 쉽게 해결되는 좋은 예가 되는데 이때 깡통따개라 우리의 힘을 더 세게 만듯것이 아니다. 이 경우 손목이 가진 힘을 하려는 일에 알맞게 사용하고 유용한 형태로 바꾼어 준 것이다. 

 

기계를 움직이는 부품

운동과 관련된 역학적 기계들은 움직이는 부품들을 가지고 있다. 이런 부품으로는 기어, 벨트, 지레,바퀴,캠,크랭크,스프링 등이 있는데 어떤 부품들은 크기가 아주 크고, 또 어떤 부품들은 눈에 보이지 않을 정도의 작은 크기이다.  이 부품들은 여러개가 복잡하게 서로 연결되어 있다. 움직이는것 역시 다르다. 너무 빨리 돌아 알아보기도 힘든 회전축이나 기어같은 부품도 있고, 너무 느린 나머지 움직이지 않는 것처럼 보이는 부품들도 있다. 그러나 이 부품들의 특성이 어떻하든 이런 부품으로 만들어진 기계는 한가지 목적으로 만들어졌다. 바로 알맞은 크기의 힘을 알맞은 곳에 정확하게 전달함으로 원하는 운동을 얻기위함이다.