20608 김태호 자유낙하운동
활동 보고서
김*호
2024-10-30
1. 실험 목표 - 자유낙하운동의 원리와 적용 사례에 대해 알아보고 실험 준비를 하는 것 2. 준비물 - 아두이노 우노, 점퍼선, 브레드보드, 적외선 감지 센서, 충격 감지 센서, LCD 3. 사전학습 <자유낙하운동이란?> 자유낙하운동은 중력의 영향을 받는 물체가 외부 힘에 영향을 받지 않고 자유롭게 떨어지는 운동입니다. 공중에 있는 물체가 수직으로 아래로 가속되며 속도가 증가하는 운동을 의미하며, 중력에 의해 발생됩니다. 자유낙하운동에서 물체의 초기 속도는 0이며 중력의 가속도에 따라 점점 빨리 가속됩니다. 이 때 지구의 중력 가속도는 약 9.8m/s²이며 자유낙하운동에서 물체는 시간에 따라 일정한 가속도로 추락합니다. 추락 운동에서 물체의 이동 거리는 시간의 제곱에 비례하여 증가합니다. 따라서, 자유낙하운동은 중력만이 작용하는 상태에서 발생하는 운동으로, 초기 속도 없이 시간에 따라 등속적으로 가속되어 운동하는 현상입니다. <속도 계산> 물체의 운동 시간(t)과 자유 낙하 거리(h)를 알 수 있을 때, 중력 가속도(g)를 알아야 합니다. 지구의 중력 가속도는 보통 9.8m/s²로 가정합니다. 물체의 초기 속도를 0이라고 할 때, 자유낙하운동에서 속도(v)는 시간에 비례해 증가하므로 v=gt로 나타낼 수 있습니다. <중력 계산> 물체가 자유낙하 할 때 물체의 위치 에너지는 모두 운동 에너지로 변하므로 ½mv²=mgh를 만족합니다. 이 때, v=gt이므로 ½mg²t² = mgh이고, ½gt² = h, g = 2h/t²이 됩니다. 4. 실험 방법 1) 적외선 센서를 1m~1.5m 높이의 벽에 설치합니다. 2)암수점퍼선을 5~6개 연장하여 사용합니다. 3) 충격 감지 센서를 적외선 센서와 수직이 되도록 바닥에 설치합니다. 4) 적외선 센서, 충격 감지 센서가 올바르게 작동 되는지 확인합니다. 5) 적외선 센서에서 충격 감지 센서로 물체를 수직으로 떨어뜨립니다. 6) 이 때 과도한 충격으로 충격 감지 센서가 고장나지 않도록 주의합니다. 7) 각 센서가 반응한 시간을 측정해 물체의 운동 시간과 중력을 구합니다. 5. 주의사항 적외선 센서 1m~1.5m 높이에 설치하기 때문에 암수점퍼선을 5~6개 연장해서 사용합니다. 물체 감지 LED가 작동하는지 확인해보고, 가변저항을 돌려 사용하세요. 충격 감지 센서 과도한 충격을 주면 센서가 고장날 수 있습니다. 주의해서 사용해주세요. 충격 감지 LED가 작동하는지 확인해보고, 가변저항을 돌려 사용하세요. LCD 화면에 불이 들어오지 않는다면 LCD의 I2C 주소를 확인해보세요. 문자가 나오지 않는다면 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 사용하세요. 6. 실험결과 9.5m/s², 10m/s², 11.5m/s², 12,0m/s² 등 우리가 기존에 알고 있던 9.8m/s²이라는 정보를 입증하는 결과가 도출되었습니다. 자유낙하운동 실험을 여러 번 진행하고 결과값의 평균을 구해보세요. 자유낙하운동 실험을 통해 다음과 같은 사실을 알 수 있습니다. <중력> 자유낙하운동은 중력에 의해 발생하는 운동으로 물체의 가속도와 속도에 중력이 어떤 영향을 미치는지 알 수 있다. <가속도와 속도 변화> 실험 결과를 통해 경과 시간에 따른 가속도와 속도 변화를 관찰할 수 있습니다. 초기 높이나 출발 속도에 따라 가속도와 속도 변화량이 달라질 수 있습니다. <에너지 보존 법칙> 자유낙하운동은 에너지 보존 법칙에 따라 이루어집니다. 초기 위치에서 위치 에너지(높이)가 운동 에너지(속도)로 변환되며, 중력 작용으로 인한 위치 에너지 감소로 인해 운동 에너지가 증가합니다. 7. 소감 아두이노를 이정도로 많이 활용하여 실험을 진행한다는 것이 처음에는 굉장히 두렵게 느껴졌다. 그러나 코풀 사이트에 설명이 아주 친절하게 쓰여 있었고, 그 설명을 하나하나 따라하며 침착하게 조원들과 자유낙하실험 장치를 만들다 보니, 다양한 센서를 사용하고 LCD 화면까지 사용하여, 속도와 걸린 시간, 가속도까지 나타내어 중력가속도를 구하는 장치를 만들게 되었다. 나는 우리끼리 이런 것을 만들어 냈다는 것이 많이 뿌듯하고, 아두이노가 세상에서 정말 많은 곳에서 사용될 수 있구나 하는 생각이 들었다. 또, 간단해 보이는 아두이노 코드였지만, 필요한 모든 센서나 코드에 대한 설명이 간결하게 들어가 있는 부분이 소프트웨어 프로그래머 지망생으로서 눈에 띄었고, 아두이노 코드들을 읽어보며 분석해보는 것에도 흥미가 생겼다.