SCIENCE 3D | 구슬 롤러코스터 실험

무슨 일이 일어났나

높은 곳의 구슬에는 높이에 저장된 중력 에너지가 있고(EIA), 굴러 내려가면 그 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀝니다(NASA).

NASA 는 매끈한 그릇 안을 구르는 구슬이 바닥에 가까울수록 빨라졌다가 맞은편을 오르며 그 빠르기를 다 잃는다고 설명합니다 — 마찰이 없다면 처음 높이까지 다시 오릅니다.

시뮬레이터에서 50 cm 출발 구슬은 골짜기에서 3.13 m/s 이고, 1 kg 마다의 에너지(«1 kg 당 에너지» 칸)가 4.90 J 로 줄곧 그대로입니다. 실제 구슬은 구르는 데에도 에너지를 나눠 쓰고 레일과 비비며 일부가 열이 되어, 이보다 조금 느리고 조금 낮게 오릅니다.

그래서 집에서 만든 레일의 오르막과 고리는 출발점보다 넉넉히 낮게 잡아야 구슬이 끝까지 갑니다.

💡 생활 속 예시

눈썰매장 슬로프 끝의 오르막 둔덕은 출발점보다 훨씬 낮아서, 내려온 썰매가 둔덕을 오르다 스르르 멈춥니다.
놀이터 그네를 탈 때 발을 구르지 않으면 앞뒤로 오르는 높이가 처음보다 조금씩 낮아집니다 — 줄과 공기가 에너지를 조금씩 열로 바꾸기 때문입니다.

🧪 해 보기

보온용 폼 파이프(배관 덮개)를 길게 반으로 가르거나 두꺼운 종이를 U 자로 접어 테이프로 이어, 길이 2 m 쯤의 홈 레일을 만듭니다.
바닥에 책을 쌓아 레일 한쪽 끝을 50 cm 높이에 붙이고, 가운데는 바닥까지 내려갔다가 맞은편은 다른 책 더미로 다시 올라오게 놓습니다.
맞은편 언덕 높이를 20 cm · 40 cm · 50 cm · 60 cm 로 바꿔 가며, 50 cm 에서 놓은 구슬이 넘어가는지 줄자로 재어 적습니다.
폰 초시계로 구슬이 출발해 맞은편에서 되돌아오기까지 걸린 시간을 재고, 이 쪽 시뮬레이터의 높이를 레일에 맞춰 견줘 봅니다.
레일 가운데에 작은 고리(루프)를 만들어 보고, 고리 꼭대기를 지나려면 출발 높이가 얼마나 더 높아야 하는지 찾아봅니다.

⚠️ 어린이는 어른과 함께 하고, 구슬은 어린 동생이 입에 넣지 않도록 실험이 끝나면 바로 통에 담아 둡니다.
⚠️ 레일은 바닥에 쌓은 책으로만 높이고, 의자나 책상 위에 올라서지 않습니다.
⚠️ 폼 파이프는 어른이 가위로 자르고, 바닥에 굴러간 구슬은 밟고 미끄러지지 않게 바로 줍습니다.

누가 왜 찾았나

NASA 교육 자료는 에너지를 설명하며 매끈한 그릇 속 구슬을 듭니다: 마찰이 없다면 구슬은 출발한 높이까지 다시 오른다는 것입니다. 물리 · 자연사 박물관(Museo di Fisica e Storia Naturale)에 1776 년부터 기록이 남은 진자 장치도 같은 규칙 — 주어진 높이에서 놓은 진자는 줄 길이를 도중에 바꿔도 그 높이로 돌아온다 — 을 보여 주며, 갈릴레오 갈릴레이가 이런 실험 몇 가지를 이미 적어 두었습니다(Museo Galileo).

확인된 값

매끈한 그릇 안을 굴러 내려가는 구슬은 바닥에 가까울수록 빨라진다 (NASA): 아래로 갈수록 빠름 출처
에너지 보존 법칙 — 에너지는 생기지도 없어지지도 않는다 (EIA): E = 일정 J 출처
중력 에너지는 물체의 높이에 저장된다 (EIA): energy of height 출처
위치 에너지가 운동 에너지로 바뀐다 (NASA): PE → KE 출처
부딪치거나 미끄러지며 줄어든 역학적 에너지는 사라지지 않고 열이 된다: 열 출처
표준 중력 가속도 (정의값): 9.80665 m/s² 출처
마찰이 없다면 그릇 속 구슬은 출발한 높이까지 다시 오른다 (NASA): 같은 높이 출처
주어진 높이에서 놓은 진자는 언제나 그 높이로 다시 오른다 (18 세기 후반 장치): same height 출처
이런 실험 몇 가지는 이미 갈릴레이가 적어 두었다: Galileo 출처
그 장치가 박물관(Museo di Fisica e Storia Naturale)에 있었다는 가장 이른 기록: 1776 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 과학(중학교) · 운동과 에너지 [9과19-04]
호주 v9 · AC9S8U05

출처

https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Senergy.htm(확인 2026-11-12)
https://www.eia.gov/energyexplained/what-is-energy/laws-of-energy.php(확인 2026-11-12)
https://www.eia.gov/energyexplained/what-is-energy/forms-of-energy.php(확인 2026-11-12)
https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/VirtualAero/BottleRocket/BGA/Mike/energy_act.htm(확인 2026-11-12)
https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gn(확인 2026-11-12)
https://catalogue.museogalileo.it/object/ApparatusForExperimentsOnPendulums.html(확인 2026-11-12)

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