[물리학실험보고서] 관성 모멘트 및 각운동량 보존
1. 실험 목적
회전하는 물체의 관성모멘트를 실험을 통해 알아보고 관성모멘트의 변화에 따른 각운동량 보존에 대 하여 알아본다.
2. 이론
회전축을 중심으로 회전하는 강체에서 회전축으로 거리 만큼 떨어진 미소부분의 속도 는 다음과 같이 쓸 수 있다.
(1)
미소부분의 질량을 이라 할 때. 이 미소부분의 운동에너지는 다음과 같다.
(2)
이 때 이 물체가 가지는 전체 운동에너지 는 각 미소부분의 운동에너지의 합과 같으므로
(3)
(4)
이라 쓸 수 있다. 이 때 의 값을 이 강체의 관성모멘트라 한다. 이는 회전하는 강체의 질량이 회전축에 대하여 어떻게 분포하고 있는지를 말해준다.
회전운동을 하는 물체는 병진운동에서의 선운동량과 대응되는 각운동량을 가지고 있다. 회전축으로 부터의 거리 에 운동량 라 하면 각운동량 은 다음과 같이 정의할 수 있다.
(5)
외부에서 돌림힘(torque) 의 합이 0 되면 그 계에서의 각운동량은 보존이 된다. 이를 각운동량 보존법칙이라한다.
이면,
(6)
돌림힘 가 0 일 때 각운동량 보존법칙에 의해 관성모멘트 가 변하면 회전하는 물체의 각속도 가 변하게 된다. 즉,
(7)
한편, 각운동량이 보존되는 경우라도 회전운동에너지는 항상 보존되지는 않는데, 이것은 선운동량이 보존되는 경우라도 탄성 충돌이 아닌 경우에 운동에너지가 보존되지는 않는 것과 같다. 회전운동 에너지 는
(8)
이다.
이 되고 관성모멘트 의 크기에 따라 각속도 의 크기가 달라진다.
[Figure 1. 관성모멘트]
Fig. 1 과 같이 실험적으로 질점(또는 물체)에 작용한 돌림힘 와 각가속도 를 측정하면 다음과 같은 식으로부터 관성모멘트 를 구할 수 있다.
(9)
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2013.11.12
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