다양한 진자

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단진자, 용수철 진자, 막대 진자를 나란히 나타낸 아이콘

용수철, 실, 회전축에 매단 진자의 구조와 단진동, 진자의 주기 및 평형 지점에서 최대가 되는 운동 에너지를 설명합니다.

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회전축과 회전하는 두 질점으로 표현한 관성 모멘트 아이콘 받침점 위에 놓인 물체와 질량 중심을 나타내는 아이콘 파동의 특성과 종류를 나타내는 물결선과 촘촘한 파형 아이콘

진자와 단진동

진자는 물체를 실, 용수철 또는 회전축 등에 매달아 흔들리도록 만든 장치이고,
단진동은 작은 각도 또는 변위를 이루는 진자에서 물체가 좌우 또는 위아래로 규칙적으로 움직이는 진동이다.

진자의 주기는 물체가 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 갔다가 다시 되돌아올 때까지 걸리는 시간이다.

용수철 진자

물체에 한쪽 끝이 고정된 용수철을 달아 만든 진자이다.

수평면과 수직 방향의 용수철에 연결된 물체의 진동 그림

물체의 질량을 mm, 용수철 상수를 kk라 할 때, 용수철 진자의 주기는 2πmk2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}이고,
물체에 작용하는 알짜힘이 00인 지점(평형 지점)에서 물체의 운동 에너지는 최대가 된다.

용수철 진자 예시

그림은 용수철 상수가 100 N/m100\,\mathrm{N/m}인 용수철에 질량이 1 kg1\,\mathrm{kg}인 물체가 연결되어 주기가 TT인 단진동을 하는 모습을 나타낸 것이다. TT는? (단, 용수철의 질량과 물체의 크기는 무시한다.)

수평면 위 용수철에 연결된 1 kg 물체와 용수철 상수 100 N/m 표시

물체의 질량을 mm, 용수철 상수를 kk라 할 때, 용수철 진자의 주기는 2πmk2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}이므로
T=2π1 kg100 N/mT = 2\pi\sqrt{\dfrac{1\,\mathrm{kg}}{100\,\mathrm{N/m}}},
T=2π1 kg100 kg⋅m/s2mT = 2\pi\sqrt{\dfrac{1\,\mathrm{kg}}{100\,\dfrac{\mathrm{kg·m/s^{2}}}{\mathrm{m}}}},
T=2π1 kg100 kg/s2T = 2\pi\sqrt{\dfrac{1\,\mathrm{kg}}{100\,\mathrm{kg/s^{2}}}},
T=π5 sT = \dfrac{\pi}{5}\,\mathrm{s}이다.

단진자

실에 물체를 매달아 고정점과 물체 사이의 거리가 일정한 상태에서 진동하도록 만든 진자이다.

실과 물체의 진동 및 진동 위치를 나타낸 진자 그림

물체가 단진동하는 경우, 실의 길이를 LL, 중력 가속도를 gg라 할 때, 단진자의 주기는 2πLg2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}이다.

단진자 예시

그림은 길이가 52 m\dfrac{5}{2}\,\mathrm{m}인 실에 물체가 연결되어 주기가 TT인 단진동을 하는 모습을 나타낸 것이다. TT는? (단, 중력 가속도는 10 m/s210\,\mathrm{m/s^{2}}이고, 물체의 크기와 실의 질량은 무시한다.)

길이 5/2m인 진자의 물체와 점선 궤적 및 회전 위치를 나타낸 그림

실의 길이를 LL, 중력 가속도를 gg라 할 때, 단진자의 주기는 2πLg2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}이므로
T=2π52 m10 m/s2T = 2\pi\sqrt{\dfrac{\dfrac{5}{2}\,\mathrm{m}}{10\,\mathrm{m/s^{2}}}},
T=π sT = \pi\,\mathrm{s}이다.

물리 진자

강체가 회전축을 중심으로 진동하는 진자이다.

회전축에 매달린 강체 진자의 진동과 수평면을 나타낸 그림

강체가 단진동하는 경우, 강체의 질량, 관성 모멘트, 회전축으로부터 질량 중심까지의 거리를 각각 mm, II, dd라 하고, 중력 가속도를 gg라 할 때, 물리 진자의 주기는 2πImgd2\pi\sqrt{\dfrac{I}{mgd}}이다.

물리 진자 예시

그림은 질량과 길이가 각각 1 kg1\,\mathrm{kg}, 15 m15\,\mathrm{m}인 균일한 막대가 고정된 회전축에 대해 주기 TT로 단진동하는 물리 진자를 나타낸 것이다. 회전축에 대한 막대의 관성 모멘트가 75 kg⋅m275\,\mathrm{kg·m^{2}}일 때, TT는? (단, 중력 가속도는 10 m/s210\,\mathrm{m/s^{2}}이고, 막대의 굵기는 무시한다.)

회전축에 연결된 1 kg, 15 m 막대의 수평면 회전 범위 그림

강체의 질량, 관성 모멘트, 회전축으로부터 질량 중심까지의 거리를 각각 mm, II, dd라 하고, 중력 가속도를 gg라 할 때, 물리 진자의 주기는 2πImgd2\pi\sqrt{\dfrac{I}{mgd}}이다.

m=1 kgm = 1\,\mathrm{kg}, d=152 md = \dfrac{15}{2}\,\mathrm{m}, I=75 kg⋅m2I = 75\,\mathrm{kg·m^{2}}이므로
T=2π75 kg⋅m21 kg×10 m/s2×152 mT = 2\pi\sqrt{\dfrac{75\,\mathrm{kg·m^{2}}}{1\,\mathrm{kg} \times 10\,\mathrm{m/s^{2}} \times \dfrac{15}{2}\,\mathrm{m}}},
T=2π sT = 2\pi\,\mathrm{s}이다.

시뮬레이션


적용 문항

1번 문항


단진동하는 진자와 용수철 진자의 주기를 비교하는 물리학 문제

2번 문항


막대와 끝에 고정된 물체로 이루어진 물리 진자의 주기 계산 문제