탄성충돌과 비 탄성 충돌

 

 

 

 충돌의 경우 운동량은 항상 보존되지만 운동에너지는 완전탄성충돌의 경우만 보존된다. 특히, 완전 비 탄성충돌의 경우 운동에너지는 왜 보존되지 않는가? 사라진 운동에너지는 어디로 갔는가? 등의 의문이 많지만, 막연히 열에너지로 변환되었다는 정도의 설명에 불과하다. 충돌하는 물체의 운동에너지가 보존되지 않음을 설명하기 위한 모델을 만들어서 충돌할 때 운동에너지가 보존되지 않고, 운동에너지가 열에너지로 바뀌는 것을 시각적으로 보여주기 위한 자료이다.

목  적 : 완전탄성충돌과 완전 비 탄성 충돌에서 역학적 에너지의 변환에 대해 안다.

 

준비물 : 수레2개, 용수철, 추(30g)

 

방  법 :

①  수레의 전면에는 강철 bumper를 달고, 그림과 같이 PVC 파이프등 가벼운 재질의 막대 4개를 수직으로 세운다.

②  비 탄성 충돌 모델 : 수직으로 세운 막대 사이에 용수철을   연결하고, 용수철에 각각 역학용 추(30g) 1～2개씩을 매   단다. 탄성력은 원자간력, 추는 원자에 해당된다.

③  완전탄성충돌 모델 : 수직으로 세운 막대와 막대 사이에 또 다른 수직 막대를 세우고, 추를 막대에 끼워서 움직이지 않게 고정시킨다.

④ 수레를 밀어서 벽이나, 기타 적당한 곳에 같은 조건으로 충돌시켜 본다. 충돌 후 수레의 움직이는 모습은 각각 어떠한가? 충돌 후 어느 쪽 수레가 더 멀리 밀려날까?

 

결  과 : 완전탄성충돌 모델은 충돌 후 거의 출발점까지 밀려나오고, 완전 비 탄성충돌모델은 충돌 후 그 자리에 정지하고 있고, 용수철에 매달린 추가 심하게 진동한다.

 

원  리 : 모든 물질은 분자로 구성되어 있고, 분자를 이루는 원자들은 서로 강하게 결합되어 있다. 완전탄성충돌모델은 원자간의 결합력이 매우 강한 경우의 모델로서 충돌을 하더라도 원자들의 진동이 거의 변화하지 않는 경우를 보이기 위한 것이다. 이 모델의 수레가 충돌하면 원자들의 진동은 거의 없으므로 역학적 에너지가 보존되고, 원래의 위치까지 밀려나오게 된다. 또 완전 비 탄성충돌 모델은 원자간의 결합력이 약한 경우의 모델로서 충돌을 하게되면 원자들의 진동이 매우 활발해지도록 만들어진 것이다.  이 모델에서는 수레가 벽과 충돌하면 분자들의 운동이 활발해지고, 수레는 거의 뒤로 밀려나지 않는다  결국, 운동에너지의 전부 또는 일부가 열에너지로 전환되므로 운동에너지는 감소되므로 역학적 에너지는 보존되지 않는다.