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일반물리실험 - 힘의 평형 실험보고서

1. 실험 Key Word.
평형판에서 실에 작용하는 힘을 벡터로 표현하고, 힘의 평형조건에서 계산결과와 실험치를 비교한다.
물체가 평형상태에 있다는 것은 그 물체가 외부로부터 힘을 받지 않아서 그 상태를 유지하고 있는 것을 의미한다. 이러한 경우는 정지상태, 등속직선 운동상태, 등속회전 운동상태 등의 모든 경우를 뜻한다.
힘은 크기와 방향을 같는 벡터량이다. 이 벡터로 나타내지는 힘의 합성은 임의의 물체에 여러개의 힘이 작용할 때 여러 개의 힘이 동시에 작용하여 나타나는 것을 하나의 힘으로 표현하기 위한 것이고, 반면 힘의 분해란 물체에 하나의 힘이 작용하는 것을 여러 개의 힘으로 나누어 표현하기 위한 것이다. 따라서, 여러 힘을 받고 있는 물체가 있는 평형상태에 있으려면 다음과 같은 두 가지 조건이 필요하다.

(1) 제 1평형조건 : 선형적인(정역학적) 평형상태, 즉 정지 또는 등속직선 운동상태를 유지하기 위해서는 모든 외력의 합이 0이 되어야 한다. 이를 수식으로 나타내면

(1)

(2) 제 2평형조건 : 회전적인(동역학적) 평형상태, 즉 정지 또는 등속직선 운동상태를 유지하기 위해서는 임의의 축에 관한 모든 힘의 모멘트, 즉 토오크()의 합이 0이 되어야 한다. 이를 수식으로 나타내면

(2)

이 실험에서는 질량중심의 평형상태를 다루므로, 제1 평형조건만 만족하면 된다. 그리고, 문제를 간단히 하기 위해서 모든 힘이 한 평면상에서 작용하도록 하였다. 한편, 벡터의 합을 구하는 데는 기하학적인(작도법)방법과 해석법이 있다.


그림 1 그림 2 그림 3

① 기하학적인 방법에 의한 벡터 합성(작도법)
그림 1과 같은 와 의 합을 구해보면, 이들이 벡터의 합 은 그림 2와 같이 두 벡터를 한 쌍의 변으로 하는 평행사변형을 그려서 두 벡터가 만나는 점으로부터 평행사변형의 대각선을 그림으로써 구한다. 이 대각선 벡터 은 두 벡터의 합으로써 합력의 크기와 방향을 나타낸다.
두 개 이상의 벡터들의 합력을 구할 때는 그림 3의 다각형법을 이용한다. 처음에 벡터의 화살표 끝에서 벡터를 그린다. 그리고 의 화살표 끝에서 다시 벡터 를 그렸을 때…(생략)
 

    
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