용수철 진자

Mass on a spring

용수철에 매단 추는 무거울수록 빨리 오르내릴까요, 천천히 오르내릴까요?

무슨 일이 일어났나

용수철 진자는 용수철 끝에 추를 달고 늘였다 놓은 것으로, 용수철이 되당기는 힘 때문에 추가 제자리를 가운데 두고 오갑니다.

한 번 오가는 시간(주기)은 T = 2π·√(m/k) 라서 추가 무거울수록 길어지고 용수철이 단단할수록 짧아집니다 — 시뮬레이터에서 0.5 kg · 20 N/m 는 0.993 초, 용수철 상수를 80 N/m 로 4 배 하면 0.497 초입니다.

늘인 길이를 0.1 m 에서 0.2 m 로 바꿔도 주기는 0.993 초 그대로이고, 마찰이 없으면 0.1 m 늘였을 때 에너지 칸이 내내 0.100 J(화면 100 mJ)입니다.

NASA 에 따르면 1973 년 궤도에 오른 스카이랩의 우주인들은 흔들의자(실험 M172)로 날마다 몸무게를 살폈는데, 흔들리는 주기가 흔들리는 질량의 제곱근에 비례한다는 성질을 쓴 것이고 조심해서 재면 0.1 % 안으로 맞았습니다.

NIST 가 만든 가속도계의 시험 질량도 한 진동수로 떠는 단순한 용수철(조화 진동자)처럼 움직이게 만듭니다.

📸 진짜 모습

스카이랩 실험 M172 의 몸 질량 측정 의자 — 힘 = 질량 × 가속도(뉴턴 제2 법칙)로 무중력에서도 질량을 쟀습니다.불러오는 중…📸 사진

스카이랩 실험 M172 의 몸 질량 측정 의자 — 힘 = 질량 × 가속도(뉴턴 제2 법칙)로 무중력에서도 질량을 쟀습니다.

출처: NASA · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗

💡 생활 속 예시

  • 짐을 가득 실은 트럭이 과속방지턱을 넘으면, 빈 트럭보다 느릿느릿 크게 출렁입니다 — 무거울수록 용수철 위에서 천천히 오르내립니다.
  • 트램펄린 위에서 어른은 어린 동생보다 느린 박자로 출렁이고, 동생은 같은 트램펄린에서도 통통 빠르게 튑니다.

🙅 오해 깨기오해 모음 보기

  • 무거운 추일수록 용수철에 매달려 더 빨리 오르내린다.

    NASA 의 스카이랩 설명처럼 흔들리는 주기는 흔들리는 질량의 제곱근에 비례합니다. 추가 무거울수록 한 번 오가는 시간이 길어져 더 천천히 오르내립니다. 출처

  • 무게가 없는 우주에서는 질량을 잴 방법이 없다.

    스카이랩 우주인들은 흔들의자의 흔들리는 주기로 날마다 몸을 쟀고, NASA 는 조심해서 재면 그 값이 0.1 % 안으로 맞았다고 설명합니다. 출처

누가 왜 찾았나

무게가 느껴지지 않는 궤도에서는 몸을 저울에 올려도 눈금이 움직이지 않습니다. 그래서 1973 년 5 월 14 일 궤도에 오른 스카이랩에 NASA 는 흔들리는 의자(실험 M172)를 실어, 우주인이 앉은 의자가 흔들리는 주기로 날마다 몸의 질량을 살폈습니다. 흔들리는 주기가 질량의 제곱근에 비례한다는 용수철 진자의 성질을 그대로 쓴 것입니다.

확인된 값

스카이랩 질량 재기: 흔들리는 주기 T 는 흔들리는 질량의 제곱근에 비례한다
T ∝ √m 출처
스카이랩(1973) 우주인 몸무게를 날마다 잰 흔들의자 (실험 M172)
oscillating chair 출처
조심해서 재면 그 질량 측정은 0.1 % 안으로 맞았다
0.1 % 출처
NIST 가속도계의 시험 질량 — 한 진동수로 떠는 단순한 용수철(조화 진동자)처럼 만들었다
harmonic oscillator 출처
힘과 늘어난 길이의 비례 — 훅 법칙 (잉글랜드 KS3 과정)
F ∝ x 출처
스카이랩이 궤도에 오른 날
1973-05-14 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 역학과 에너지 · 탄성파와 소리 [12역학03-01]
  • 한국 2022 · 물리학 실험 · 역학 [12물실02-08]

출처

이어서 보기

같은 단원 · 진동

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① 시뮬레이터·그림: 직접 만듦

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② 사실·숫자: 공식 기관·교재

연도·숫자·이름은 NIST·NASA·NOAA·USGS·기상청·PDG·노벨재단 같은 공식 기관과 공개 교재에서 직접 확인한 것만 우리 말로 옮기고, 쪽마다 출처 주소를 적습니다. 위키백과·나무위키·블로그는 출처로 쓰지 않습니다.

③ 교육과정

2022 개정 과학과 교육과정과 영국·호주·일본 교육과정에서 그 내용이 어디에 나오는지 함께 적습니다.

④ 실시간 자료

지진·이산화 탄소·오로라 같은 실시간 판은 기관이 낸 자료를 받은 시각과 함께 그대로 보여 주고, 우리가 예보하지 않습니다.

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