반나절은 고민한것 같은 문제.

Q)질량 m의 구가 높이 b의 문턱에 다가오고 있다. 구의 반지름은 r이고, 중력가속도는 g이다.

1) 구가 미끄러지며 다가올 때와 굴러올 때 문턱을 넘을 최소 속도를 비교하시오.

2) 실제로 구를 굴려보면 구가 튀어오를는 경우가 더 많다. 이처럼 구가 튀어 오를 최소 속도를 미끄러지며 다가올 때와 구르며 다가올 때 두 경우를 비교하여 구하시오. 단, 문턱의 탄성계수는 0이라고 가정한다.

힌트는 각운동량 보존법칙.

해답 쓰기 귀찮은데...ㅋ

먼저, 문턱 모서리에서 구에 대해 측정한 각운동량을 측정한 다음(이것이 포인트), 각운동량 일정 법칙을 이용해서 문턱에 닿았을 때 회전 속도를 구합니다.

이렇게 회전 속도를 구했으면, 문턱의 모서리를 중심으로 회전운동을 한다고 생각해서 일-에너지법칙을 이용합니다.

꼭대기까지 올라가기에 충분한 회전에너지를 갖고 있었으면 올라서는 거죠.

날아갈 조건을 구하는 것은 먼저 문턱에 닿았을 때 질량중심의 속도를 구합니다.

이 질량중심의 속도를 회전속도라고 보고, 이 회전속도를 잡아 줄 중력이 구심력의 역할을 하지 못한다면 날아가는 거죠.

답입니다.

1)√(14r^2bg/5(r-b)^2), √(14r^2bg/5((7/5)r-b)^2)

2)√(49r^2g/25(r-b)), √(49r^2g(r-b)/25((7/5)r-b)^2)

답을 보면 아시겠지만, 공이 떴어도 미끄덩 하고 다시 내려오는 경우도 생김을 알 수 있습니다.

각운동량을 재는 방법.

각운동량을 재는 기준점이 질량중심이 아닌 강체에 대해서 측정한 각운동량은

L=mr_cm×v_cm+Iw 입니다.

r_cm은 질량중심까지의 위치벡터, v_cm은 질량중심의 속도벡터, I는 질량중심에 대한 강체의 회전관성, w는 질량중심에 대한 강체의 회전각속도를 나타냅니다.

증명은 다음 글에 남기도록 하죠.

Posted by 덱스터

뉴스 : 별·은하·가스조차 없는…초대형 '우주 구멍' 발견

덱스터(jwkonline)...

---------------------------------------------------------
얼핏 보다가 생각난 건데, 저기는 어떤 이유로 인해 높은 포텐셜 에너지가 형성된 곳이 아닌가 생각해보기도 한다.
과도하게 높은 포텐셜 때문에 터널링효과도 일어날 수 없어 물질이 존재할 수 없는 영역일수도.
만약 저런 공간이 우주에 수백개씩 있고 이 포텐셜에너지가 구멍이 넓어짐에 따라 감소한다면 이것이 천문학자들이 찾는 암흑에너지가 아닐까 하는 생각도 해본다.

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Posted by 덱스터

2007. 8. 26. 22:11 Daily lives

My Physics Story

한 중학생이 있었다. 그 중학생은 영재교육원에 지원하면서, 무슨 계열로 지원할 것인가 생각하고 있었다. 자기가 좋아하는 과학을 하면서 어떤 과학을 좋아하는 가 고민했던 그 학생은 일단 지구과학과 생물은 자기가 좋아하지 않는다고 판단했다. 화학과 물리만 남은 상태

에서, 그 학생은 물리를 선택하기로 했다. 이것이 나와 물리가 맺어진 첫 걸음이다.


단순히 좋아한다는 이유만으로 물리와 맺어졌던 나는 선택의 기로에 서게 되었다. 나는 물리를 확실히 좋아한다. 하지만 그것만으로 미래를 물리로 선택하는 것이 옳을까? 단순히 좋아한다는 이유만으로 물리의 길을 간다는 것은 무모해 보였다. 흥미만으로 길을 선택한다면 그 흥미가 사라졌을 때 길을 더 이상 간다는 것은 힘들기 때문이었다. 나는 운명이 물리를 선택했다는 확신이 필요했다. 점차 로켓공학자라는 길이 흥미로워 보였기 때문이다. 두 길을 모두 선택하는 것은 불가능해 보였다.


그런데 어느 날 난 무언가를 깨달았다. 물리가, 내가 꿈꾸는 로켓공학자가 모두 하나의 길로 보이기 시작했다. 내가 그 둘을 꿈꾸었던 이유는 우주를 보는 창이었기 때문이다. 물리는 우주의 기원을 찾는 것을 목표로 했다. 로켓공학은 우주로 돌아가는 것을 목표로 했다. 근데 왜 하필 우주이었던 것일까?


우리가 우주로 돌아가려는 이유는 우리가 생기기 이전에 지구가 있었고, 지구가 생기기 이전에 우주가 있었기 때문이다. 우주는 우리가 온 곳이기 때문인 것이다. 인간이라면 누구나 하늘을 보면서 날고 싶다는 상상을 한다. 그 이유는 하늘 너머에 우리가 온 곳이 있기 때문이 아닐까? 우리가 날고 싶어하는 것도, 우주로 나가보고 싶어하는 것도 모두 수구초심의 일면이 아닌가 생각한다. 그리고 난 그 회귀본능이 내가 우주로 나아가고 싶은 것, 물리를 하고 싶은 것, 로켓공학도 하고 싶은 것의 이유라고 생각한다.

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Posted by 덱스터

1교시

문제 1

막대가 회전하고 막대에 자유로이 놓인 입자의 운동을 기술하는 문제이다. 막대의 회전 속도는 일정.

운동방정식(극좌표계)을 세울 때 간혹 원심력을 더한 사람도 있는것 같은데 틀리다. 구심력이 없기 때문. 일반적인 질량체를 줄에 연결해 돌리면 장력이 구심력 역할을 하지만 이 경우에는 장력도 수직력도 없다. 중력의 r방향 성분만 고려. theta방향은 수직력이 작용하기 때문에 고려하지 않는다.

역시 같은 이유로 A exp_ωt + B exp_-ωt + g/(2ω^2) sin(ωt)가 해가 되는것을 보이는 문제에서는 r방향에 대해서만 해 주면 된다.

질량체가 x축 위에 존재하려면 A, B는 모두 0으로 결정되는데 그 이유는ωt = nπ 에서 r=0으로 결정되야 되기 때문이다. 이유는 막대가 회전할 때 r의 부호가 바뀌는 점이 막대가 수평한 점일 때이기 때문. 이 부분은 시험지를 걷고 나니 생각나서 미치는 줄 알았다.

문제 2

축전기 문제. 유전체를 빨아들이는 문제이다. 이 문제는 많은 경우에 다루었으므로 생략한다. 특별한 문제라면 유전체의 위치에너지와 축전기의 에너지 합이 일정하냐의 문제인데 이것은 따로 마찰이 열에너지를 소비하지 않기 때문에 일정하다.

문제 3

기억이 잘 안난다. 나중에 수정.

2교시

문제 1

실린더에 단원자 이상기체가 들어있을 때, 등온과정과 단열과정에서 엔트로피를 구하는 문제. 일반물리학에서 자주 다루므로 생략한다. 등온과정.

실린더를 압축했다가 놓았을 때 진동하는 것은 (1+x)^n 이 x≪1일 때 1+nx가 된다는 원리를 이용한다.

특이했던 것은 등온과정에서의 진동과 단열과정에서의 진동을 비교하는 것.

단열과정에서는 등온에서의 진동수의 √(5/3)배가 된다고 계산되었다.

문제 2

수은을 그릇에 넣고 돌리면 포물면이 되는 이유 설명하는 문제.

단순히 중심에서 거리가 r일때 물체를 놓고 mg sinθ와 mω^2r cosθ가 평형을 이룬다고 계산한다. 중력과 원심력이 평형을 이루었다고 생각.

탄젠트가 dh/dr이 된다는 원리를 이용하는 문제.

두번째 문제는 준면에 평행하게 들어오는 광선은 항상 초점을 지남을 증명하는 문제인데, 이건 정석에도 나온다고 한다.

문제 3

가장 난감했던 문제. 양자론과 중심력의 만남 정도로 생각된다.

1번 문제는 1교시 문제1과 비슷하므로 생략하겠다.

2번에서 s(t)=αr(βt)도 그 해가 됨을 증명하는 문제인데,s"이 αβ^2t"이 되고 각운동량은 상수라서 새로이 각운동량을 정의하면 된다. β=α^-3/2인데 ^-3이라고 써서 틀렸다. 생각보다 실수를 많이 한 듯.

이를 이용해서 태양계모형이 적합하지 않음을 설명하는 문제에서는 원자반지름이 하나로 정해지지 않아서 관찰결과에 어긋난다고 했다.

5번은 물질파가 정상파를 이룬다는 조건에서만 존재할 수 있다는가정을 해서 구했다. 정상파를 이루지 못하면 자기 자신의 파동함수를 상쇄시켜 버린다고 설명. 에너지준위를 구하는 방법은 일반물리학에 잘 나와 있으니 생략한다.

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Posted by 덱스터

물리는 자연에 대한 수학적 모델링이라고 말했던가?

뭐, 일단 그렇다는 가정 하에서 물리 문제를 푸는 데 있어서 가장 중요한 스킬을 하나 올리려고 한다.

다름아닌 기준점잡기.

수학적 모델링에 있어서 가장 중요한 작업은 모든것을 서술할 기준, 즉 기준점을 잡는 것이다.

기준점에는 좌표축의 방향도 포함된다.

또 다른 중요한 작업은 물체의 기준점이다.

어디를 기준으로 물체를 서술하느냐가 문제가 된다.

예를 들어 회전은 물체의 질량중심을 기준으로 한다.

물론, 물체의 병진운동 또한 일반적으로 질량중심을 기준으로 서술한다.

또 다른 중요한 모델링 과정은 방향의 통일이다.

식이 방향이 각기 다르다면 그건 말 그대로 혼돈만 가져올 뿐이다.

본인의 예를 들자면, 본인은 구면에서 구르는 구슬의 마찰력이 작용하는 방향을 반대로 잡은 적이 있다.

마찰력이 일반적으로 작용하는 것으로 알려진 방향과 다르게 나오자 당황했던 기억이 있다.

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Posted by 덱스터
물리라는 학문의 목적은 자연을 관찰하고 이 자연을 수학적인 모델로 구축하여 구축된 모델 내에서 경향성을 파학하는 학문이다. 이 경향성이라 함은 과거의 상태에 대한 자료에서 일정한 변환을 통해 미래의 상태를 예견할 수 있음을 말한다. 이러한 점에서 근본적으로 물리는 수학과 관련이 깊다. 또한, 이러한 특성으로 인해 물리는 아무리 아름다운 이론이라도 현실에 부합하지 못하면 버려지는 학문이기도 하다.

내가 물리를 좋아한 이유는 과학을 좋아했고, 외우는 것을 싫어했기 때문이다. 물리는 단순함을 추구한다. 이는 단순한 것이 수학적으로 모델링하게에 간편하기 때문이기도 하다. 또한, 물리는 서로 서로 얽혀있다. 그물의 한쪽만 들어 올려도 모든 그물을 들어 올릴 수 있는 것과 같이, 물리라는 학문은 한 부분은 거의 항상 다른 부분과 이어지게 되어 있다. 이것이 다른 과학 학문과 유별난 점이기도 하다.

물리라는 학문은 이름에서도 알 수 있듯이 물질의 이치를 탐구한다는 학문이다. 다시 한번 강조하지만 이러한 이치는 수학적인 모델링을 통해 분석될 수 있다. 물리라는 학문에서는 개념과 마찬가지로 수학적인 모델링이 가능한가가 중요하다. 예를 들어 물체는 아래로 떨어진다는 것은 누구나 아는 개념이다. 하지만 물리학에서는 이것은 그다지 중요한 명제가 아니다. 물리학에서 중요한 명제는 '물체는 아래로 일정한 가속도를 받으며 떨어진다'이다. 여기서 중요한 단어는 "일정한" 이다. 일정한이라는 단어에서 수학적인 모델링이 이루어졌기 때문이다.

그래서 나는물리를 잘하려면 개념만큼이나 수학적으로 모델링 하는 능력도 중요하다고 생각한다. 물리가 원래 수학적인 모델링 능력이 중요했던 것은 아니다. 아리스토텔레스의 시대까지만 해도 원리가 중요했다. 하지만 현재에는 수학적인 모델링이 매우 중요해지고 있다. 켈빈경의 격언으로 이 포스팅을 끝낸다.

"When you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it, But when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meager and unsatisfactory kind: it may be the beginning of knowledge, but you have scarcely. . . advanced to the state of science."

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Posted by 덱스터

2007. 8. 5. 00:13 Daily lives

으흠...;;

약간 조울증 증세가 보이는 것 같다.

막 신나다가도 갑자기 지쳐버리기 일쑤.

스트레스가 과도한 건지...(그렇지 않을리가 없잖아)

KPhO가 일주일 앞으로 다가왔는데... 난 블로그를 하고 있네...;;

작년에 탄것만큼은 타야 되는데, 타고 싶은데 모르겠다.. 확실히 작년보단 잘하지만 2학년에도 시험을 보는 사람들도 그만큼 열심히 준비했을 것 아닌가.

새대학물리가 참 좋은 책이라는 것을 깨달았다. 이상한 단원에서 일반적인 대학물리책은 안 다루는 내용들이 들어가 있다. 특히 통계역학, 회절 분석. 통계역학은 약간 봤지만, 회절무늬 분석은 영...

물리문제중 재미있는 문제 하나를 알았는데 짜증난다. 변수끼리 분리가 안되는 형태. 상당히 풀기 힘든 적분식이 튀어나왔다.

생물숙제도 있는데...

학교 분위기는 영...

열심히 해야 할 시기인데... 허무한 감정만 들고.. 벌써 허무주의에 찌든건가...

다시 신나게 인생을 살 그런 날을 위해 열공이다.

P.S

찬페 후기. 찬페때문에 요번주 금요일에 완전 뻗었다. 전날 밤에 그렇게 찬송가를 불러댔으니...;;

요즘 계속 느끼는 건데 교회나 찬모에 가서 찬송가를 부르고 있으면 무언가가 몸에서 들어 올려지는 느낌이 든다. 그러면서 몸이 가벼워지는 느낌?

이것인가... 다른 사람들, 친구들이 말하던 예수님과의 알현(단어가 맞나...??)

애석하게도 난 아직 예수님과 알현한 적이 없다. 아니, 그렇게 생각하고 있다. 나도 모르는 사이에 만났을수도 있으니까. 내가 신실하지 못한 신자인 이유가 그것일련지도 모른다.

언젠간 만나주실것을 알면서도 그 순간을 기다리지 못해 지쳐버리곤 한다.

근성으로 버텨야지 뭐...

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