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운동 에너지

시속 100 km로 달리는 자동차는 시속 50 km일 때보다 운동 에너지가 네 배입니다.

움직임의 에너지

움직이고 있는 것은 무엇이든 자기가 부딪히는 대상에 일을 할 수 있습니다. 볼링공은 핀을 넘어뜨리고, 바람은 풍력 터빈을 돌리고, 망치는 못을 박아 넣습니다. 이렇게 움직임이 가진 에너지를 운동 에너지라고 하고, 질량 m인 물체가 속력 v로 움직일 때 KE = ½ m v²입니다. 질량은 킬로그램으로, 속력은 초속 미터로 넣으면 계산한 답이 줄 단위로 나옵니다.

OpenStax 교재에는 아주 조용한 예가 하나 있습니다. 롤러 컨베이어 위에 실려 초속 0.500 m로 천천히 지나가는 30.0 kg짜리 소포입니다. 이 소포의 운동 에너지는 ½ × 30.0 × 0.500² = 3.75 J입니다. 꽤 무거운 상자인데도 에너지는 아주 작습니다. 속력이 느린 데다, 공식에서 속력은 제곱으로 들어가기 때문입니다.

제곱이 중요한 이유

질량은 공식에 있는 그대로 들어갑니다. 같은 속력이라면 질량이 두 배일 때 운동 에너지도 두 배입니다. 반면 속력은 제곱으로 들어갑니다. 속력을 두 배로 하면 에너지는 네 배로 늘어나고, 세 배로 하면 에너지는 아홉 배로 늘어납니다. 그래서 시속 100 km로 달리는 자동차의 운동 에너지는 같은 차가 시속 50 km로 달릴 때의 네 배입니다. 빠른 속도로 부딪히는 충돌이 느린 충돌보다 훨씬 더 심각한 까닭도 여기에 있습니다.

운동 에너지는 속력의 제곱에 비례합니다. 속력 2배면 에너지 4배, 3배면 9배입니다.

속력의 제곱은 제동 거리도 설명해 줍니다. 자동차가 멈추려면 브레이크가 자동차의 운동 에너지와 같은 크기만큼 음의 일을 해야 합니다. 제동력이 같다면 일은 힘 곱하기 거리이므로, 멈추는 데 필요한 제동 거리는 v²에 비례해서 늘어납니다. 시속 60 km에서 90 km로 올리면 속력은 1.5배지만 제동 거리는 (1.5)² = 2.25배가 됩니다. 게다가 이것은 운전자가 반응하는 데 걸리는 시간은 아직 넣지도 않은 값입니다.

일-에너지 정리

2단원에서 일은 에너지를 옮긴다고 했습니다. 일-에너지 정리(work-energy theorem)는 물체가 빨라지거나 느려질 때 옮겨진 그 에너지가 정확히 어디로 가는지를 말해 줍니다. 정리의 내용은 이렇습니다. 물체에 한 알짜 일은 그 물체의 운동 에너지 변화와 같습니다. W_알짜 = ½ m v² − ½ m v₀². 여기서 알짜 일은 물체에 작용하는 모든 힘이 한 일을 한꺼번에 더한 값이고, 같은 말로 알짜힘이 한 일이기도 합니다.

앞에 나온 30.0 kg 소포로 다시 돌아갑시다. 누군가 이 소포를 120 N의 힘으로 0.800 m 미는 동안, 마찰은 5.00 N의 힘으로 소포를 뒤로 당깁니다. 중력과 아래에서 받치는 힘은 운동 방향과 직각이므로 일을 하지 않습니다. 미는 사람은 120 × 0.800 = 96.0 J의 일을 하고, 마찰은 −5.00 × 0.800 = −4.00 J의 일을 하므로 둘을 더한 알짜 일은 92.0 J입니다. 소포는 처음에 3.75 J의 운동 에너지를 가지고 있었으니, 밀고 난 뒤에는 95.75 J이 됩니다. 이제 ½ × 30.0 × v² = 95.75를 v에 대해 풀면 v = 2.53 m/s가 나옵니다.

배경움직이는 물체가 속력의 제곱에 비례하는 무언가를 지닌다는 생각은 수십 년 동안 논쟁거리였습니다. 1722년 네덜란드 과학자 빌럼 스흐라베산더는 놋쇠 공을 여러 높이에서 부드러운 진흙 위로 떨어뜨리는 실험을 했습니다. 크기는 같지만 질량이 서로 다른 공들은, 떨어뜨린 높이가 질량에 반비례할 때 진흙에 똑같은 자국을 남겼습니다. 그러니 자국의 크기를 정한 것은 질량 곱하기 속력이 아니라 질량 곱하기 속력의 제곱이었습니다.
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끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.

주황색 운동 에너지 막대와 속력을 보세요. 질량을 바꾸면 에너지는 같은 비율로 바뀌지만 각 지점의 속력은 그대로입니다.

공식을 거꾸로 써서 계산하면 새로운 사실을 알아낼 수도 있습니다. OpenStax 표에 따르면 시속 100 km 테니스공의 운동 에너지는 약 22 J입니다. 속력을 초속으로 바꾸면 100 ÷ 3.6 = 27.8 m/s이고, ½ m v² = 22를 질량에 대해 풀면 m = 2 × 22 ÷ 27.8² = 0.057 kg, 57 g으로 실제 테니스공의 질량입니다. 한편 질량이 100분의 1 g쯤인 모기가 초속 0.5 m로 날고 있다면 운동 에너지는 1.3 × 10⁻⁶ J입니다. 테니스공과 모기는 약 1,700만 배 차이가 납니다.

운동 에너지KE = ½ m v²
속력 두 배운동 에너지 네 배
일-에너지 정리알짜 일 = 운동 에너지 변화량
제동 거리속력의 제곱에 비례(제동력이 같을 때)
핵심 정리
  • KE = ½ m v², 단위는 줄입니다.
  • 질량 두 배면 KE 두 배, 속력 두 배면 네 배입니다.
  • 알짜 일은 운동 에너지 변화량과 같습니다.
  • 제동력이 같으면 제동 거리는 v²에 비례합니다.
  1. 초속 0.500 m로 움직이는 30.0 kg 소포의 운동 에너지는 몇 J일까요?
  2. 2 kg 공이 초속 3 m로 움직입니다. 운동 에너지는 몇 J일까요?
  3. 같은 공이 초속 6 m로 움직입니다. 운동 에너지는 몇 J일까요?
  4. 트럭의 질량이 승용차의 두 배이고 속력은 같습니다. 트럭의 운동 에너지는?
    • 승용차의 두 배
    • 승용차의 네 배
    • 같습니다
    • 절반
  5. 속력이 시속 50 km에서 100 km가 되면 운동 에너지는?
    • 4배
    • 2배
    • 그대로
    • 8배
  6. 자동차가 시속 60 km에서 90 km로 빨라졌습니다. 제동 거리는 몇 배가 될까요? (제동력 같음)
  7. 소포에 한 알짜 일: 0.800 m 동안 120 N으로 밀고 마찰은 5.00 N. 몇 J일까요?
  8. 그 소포(처음 초속 0.500 m)의 나중 속력은 몇 m/s일까요? (소수 둘째 자리)
  9. 초속 20 m로 달리는 1,200 kg 자동차의 운동 에너지는 몇 kJ일까요?
  10. 일-에너지 정리에서 세는 일은?
    • 모든 힘이 한 알짜 일
    • 내가 한 일만
    • 마찰이 한 일만
    • 중력이 한 일만
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