에너지
일, 운동 에너지, 위치 에너지, 에너지 보존, 일률을 계산과 함께 배웁니다. 에너지 실험실에서는 에너지 막대와 마찰 슬라이더가 달린 롤러코스터를 달려 보고, 짐을 밀거나 들어 올리며 일과 일률을 확인합니다.
이 과정에 대하여
시험을 보거나 무거운 가방을 들고 있으면 힘든 일처럼 느껴지지만, 물리에서는 둘 다 일이 아닙니다. 일에는 엄격한 뜻이 있습니다. 힘이 물체에 일을 하는 것은 물체가 움직일 때뿐이고, 움직이는 방향을 향한 힘의 성분만 일을 합니다. 일이 이루어지면 에너지가 전달되며, 이 연결이 일이라는 개념이 중요한 이유입니다.
여섯 단원은 에너지란 무엇인가, 힘 × 거리로서의 일, 운동 에너지, 위치 에너지, 에너지 보존과 롤러코스터, 일률입니다. 정원사가 수평선보다 35° 아래를 가리키는 손잡이로 잔디깎이를 75.0N으로 25.0m 밀면 한 일은 75.0 × 25.0 × cos 35° = 1,536J이고, 음식 에너지로는 0.37kcal입니다. 운동 에너지에는 제곱이 들어 있어서 시속 60km에서 90km로 가면 속력은 1.5배이지만 제동 거리는 2.25배가 됩니다. 식을 거꾸로 풀면 시속 100km의 테니스공이 약 22J이라는 값에서 질량 57g이 나오는데, 실제 테니스공의 질량입니다. 에너지 실험실에서는 에너지 막대와 마찰 슬라이더가 있는 롤러코스터를 돌리고, 짐을 밀거나 들어 올려 일과 일률을 확인합니다.
롤러코스터에서는 언덕을 내려갈 때 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀌고 다음 언덕을 오를 때 다시 바뀝니다. 실제 레일과 공기는 음의 일을 하므로 KE + PE는 서서히 줄지만 에너지가 사라지는 것은 아니며, KE + PE + 열은 그대로입니다. 일률 단원에서는 1마력이 746W이고, 60W 백열전구가 내는 빛은 약 5W뿐임을 짚습니다.
시작하기 전에
일은 힘 × 거리이므로 힘에서 뉴턴이라는 단위를, 운동에서 속력을 익혀 두면 좋습니다. 운동 에너지에는 제곱이, 잔디 깎는 기계 문제에는 코사인이 나오고 대부분의 답에 계산기가 필요합니다.
마치고 나면
힘과 거리로 일을 구하고, 자동차의 운동 에너지와 상자를 들어 올리거나 용수철을 누를 때 저장되는 위치 에너지를 계산할 수 있습니다. 속력이 두 배면 운동 에너지가 네 배인 이유를 설명하고, 언덕 아래 롤러코스터의 속력을 예측하며, 계단을 뛰어오르는 사람의 일률과 컴퓨터 사용량의 kWh도 구할 수 있습니다.
- 1에너지란 무엇일까1줄(J)은 100 g 사과를 약 1 m 들어 올리는 에너지입니다. 시속 90 km로 달리는 1,000 kg 자동차에는 그 31만 배쯤이 들어 있습니다.
- 2일: 힘 곱하기 거리수평 아래 35° 방향으로 75 N의 힘을 주어 잔디 깎는 기계를 25 m 밀면 1,540 J의 일을 합니다. 음식 3분의 1칼로리쯤입니다.
- 3운동 에너지시속 100 km로 달리는 자동차는 시속 50 km일 때보다 운동 에너지가 네 배입니다.
- 4위치 에너지뻐꾸기시계의 0.500 kg 추를 1 m 끌어올리면 4.90 J이 저장되고, 추가 내려가는 동안 시계가 그 에너지를 씁니다.
- 5에너지 보존과 롤러코스터높이 20.0 m 언덕 꼭대기에서 멈춘 상태로 출발한 롤러코스터는 마찰을 무시하면 질량과 상관없이 바닥에서 초속 19.8 m가 됩니다.
- 6일률: 얼마나 빨리 일을 하는가60.0 kg인 사람이 3.00 m 높이의 계단을 3.50초에 뛰어오르면 538 W를 냅니다. 1마력에 조금 못 미칩니다.
이 과정의 출처 (8)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 7.1 Work: the scientific definition (W = F d cos θ, briefcase cases, 1 J = 1 N·m, 1 J lifts a 100 g apple about 1 m, lawn mower 75.0 N at 35° for 25.0 m = 1.54 × 10³ J, 1 kcal = 4186 J, under 10% of food energy goes into work)
- 7.2 Kinetic energy and the work-energy theorem (KE = ½ m v², 30.0 kg package at 0.500 m/s = 3.75 J, 120 N push with 5.00 N friction over 0.800 m = 92.0 J net, final speed 2.53 m/s, a car at 100 km/h has four times the KE it has at 50 km/h)
- 7.3 Gravitational potential energy (ΔPE = m g h, reference level, path independence, 0.500 kg cuckoo clock weight raised 1.00 m = 4.90 J, 60.0 kg person landing stiffly from 3.00 m, roller coaster 20.0 m hill: 19.8 m/s, and 20.4 m/s with a 5.00 m/s start, mass cancels)
- 7.4 Conservative forces and potential energy (spring PE = ½ k x², 0.100 kg toy car, k = 250 N/m, 4.00 cm, 0.180 m rise)
- 7.5 Nonconservative forces (friction turns mechanical energy into thermal energy)
- 7.6 Conservation of energy (statement of the law, forms of energy, Table 7.1: 1000 kg car at 90 km/h 3.1 × 10⁵ J, tennis ball at 100 km/h 22 J, mosquito 1.3 × 10⁻⁶ J, daily food intake 1.2 × 10⁷ J, 1 gallon gasoline 1.2 × 10⁸ J, 1 g fat 3.9 × 10⁴ J; efficiency, Table 7.2: cycling and climbing 20%, swimming at the surface 2%, gasoline engine 30%, diesel 35%, coal power plant 42%, electric motor 98%, solar cell 10%)
- 7.7 Power (P = W ÷ t, 1 W = 1 J/s, 1 hp = 746 W, 60.0 kg woman up 3.00 m stairs in 3.50 s reaching 2.00 m/s = 538 W, Table 7.3: Sun 4 × 10²⁶ W, car 8 × 10⁴ W, person at rest 100 W, heart at rest 8 W, clothes dryer 4 × 10³ W, a 60 W incandescent bulb gives 5 W of light, power plants turn 35 to 40% of fuel energy into electricity, E = P t, 0.200 kW computer 6.00 h a day for 30.0 days = 36.0 kWh, $4.32 at $0.120 per kWh)
- g = 9.8 m/s² as in OpenStax examples (NIST standard gravity 9.80665 m/s², physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gn).
확인한 날: 2026-10-17