뉴턴의 요람

뉴턴의 요람은 서로 겨우 닿도록 매달린 똑같은 강철 구슬의 줄입니다. 하나를 들어 놓으면 줄에 부딪혀 멈추고, 먼 쪽 끝의 구슬만 올라갑니다. 가운데 구슬은 가만히 있는 듯 보입니다. 움직임이 그것들을 통과했습니다.

왼쪽 강철 구슬은 들리고 오른쪽 구슬은 튕겨 나간 뉴턴의 요람
왼쪽 강철 구슬은 들리고 오른쪽 구슬은 튕겨 나간 뉴턴의 요람

똑같은 구슬의 줄

뉴턴의 요람은 틀과, 같은 길이의 실에 매달린 똑같은 금속 구슬의 줄입니다. 멈춰 있으면 구슬은 겨우 닿습니다. 각 구슬은 같은 진자입니다. 같은 질량, 같은 길이, 같은 흔들림입니다.

보이는 것

한쪽 끝의 구슬을 들어 올렸다가 놓습니다. 떨어져 다음 구슬을 칩니다. 에너지와 운동량은 거의 움직이지 않는 가운데 구슬을 지나갑니다. 반대 끝의 구슬만 거의 같은 속력으로 올라갑니다. 두 개를 들면 두 개가 반대쪽으로 나갑니다. 세 개를 들면 세 개가 나갑니다. 떠나는 수는 도착한 수와 같습니다.

운동량 보존

운동량은 질량 곱하기 속도입니다. 닫힌 계에서 총합은 변하지 않습니다. 딸깍은 너무 짧아 실이 당길 틈이 없으므로, 그 순간 구슬들은 닫힌 계입니다. 한쪽으로 들어온 운동량은 반대쪽으로 나갑니다. 나머지 흔들림에서는 실이 옆으로 당깁니다. 그때 구슬만의 수평 운동량은 일정하지 않습니다. 틀이 그 차이를 받습니다.

에너지 보존

운동 에너지는 움직임의 에너지입니다. 위치 에너지는 높이의 에너지입니다. 들어 올린 구슬은 위치 에너지를 갖고 있습니다. 떨어지면서 그것은 운동 에너지가 됩니다. 딸깍이 운동 에너지를 넘기고, 먼 쪽 구슬은 움직임이 다시 높이가 될 때까지 올라갑니다. 그런 다음 되떨어져, 요람은 되풀이합니다.

탄성 충돌

탄성 충돌은 운동 에너지를 움직임으로 남깁니다. 열이나 강의 움푹 패임에 쓰이는 양은 아주 적습니다. 그래서 나가는 구슬은 들어오는 구슬과 거의 같은 속력입니다. 운동량만 보면 다른 나눔도 가능합니다. 하나가 두 배 속력으로 나가거나, 모든 구슬이 함께 앞으로 밀릴 수도 있습니다. 그런 나눔은 운동 에너지를 버립니다. 탄성 있는 딸깍은 두 법칙을 모두 지키는 나눔이고, 요람이 보여주는 것도 그것입니다. 같은 수의 구슬이 같은 속력으로 반대쪽에 나타납니다.

결국 멈추는 이유

요람은 완전히 탄성이 아니고, 진공 속에 있지도 않습니다. 공기 저항이 매번 흔들림을 붙잡습니다. 딸깍할 때마다 조금 더 에너지가 소리와 금속의 아주 작은 압축으로 나갑니다. 흔들림은 짧아지다가 구슬이 가만히 매달릴 때까지 이어집니다.

PictorX에서 해 보기

뉴턴의 요람을 열면 구슬 하나가 이미 들려 있습니다. 높이를 고르려면 어느 쪽이든 끝을 끌거나, 구슬 수와 들어 올림을 맞추세요. 구슬 수는 3에서 7입니다. 마찰은 공기이고, 튀김은 딸깍이 얼마나 탄성인지입니다. 표시는 각 끝의 속력, 그다음 높이, 움직임, 그리고 합입니다. PNG를 저장하거나 그 그림을 PictorX 편집기에서 여세요.

자주 묻는 질문

왜 먼 쪽 구슬만 움직이나요?

구슬의 질량은 같고 딸깍은 거의 탄성입니다. 운동량과 에너지를 모두 지키는 결과는 하나뿐입니다. 들어온 구슬이 멈추고, 먼 쪽 구슬이 같은 속력으로 떠나는 것입니다. 가운데 구슬은 그 흔들림을 넘기고 그 자리에 남습니다.

왜 두 구슬이 두 구슬을 보내나요?

두 구슬이 한 속력으로 함께 도착합니다. 그 속력으로 떠나는 두 구슬은 운동량과 에너지를 모두 지킵니다. 두 배 속력으로 하나만 떠나면 운동량은 남고 에너지는 버려집니다.

운동량은 내내 보존되나요?

딸깍하는 동안에는 보존됩니다. 한 번 흔들리는 동안 실이 당기므로 구슬의 수평 운동량은 변하고, 틀이 그 차이를 받습니다. 공기와 딸깍을 빼면 일정한 것은 에너지입니다.

뉴턴의 요람은 왜 멈추나요?

공기가 매번 흔들림을 느리게 하고, 딸깍할 때마다 조금의 에너지가 소리와 열로 빠집니다. 마찰이 0이고 튀김이 완전히 탄성이면, 시뮬레이션된 요람은 계속 흔들립니다.

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