x y xyx y 평면(2 22 차원)에서의 충돌은 물체의 운동량을 x xx , y yy 성분으로 분해하여 각각 운동량 보존 법칙을 적용한다.
그림 (가)는 마찰이 없고 수평인 x y xyx y 평면에서 물체 A \mathrm{A}A 가 원점에 정지해 있는 물체 B \mathrm{B}B 를 향해 x xx 축을 따라 속력 v 0 v_0v 0 로 등속도 운동하는 모습을,
(나)는 (가)에서 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 가 충돌한 후 x xx 축과 각각 θ 1 \theta_1θ 1 , θ 2 \theta_2θ 2 의 각을 이루며 속력이 각각 v A v_{\mathrm{A}}v A , v B v_{\mathrm{B}}v B 인 모습을 나타낸 것이다.
A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 질량이 각각 m A m_{\mathrm{A}}m A , m B m_{\mathrm{B}}m B 일 때, 운동량 보존 법칙을 적용해 보자. (단, 물체의 크기는 무시한다.)
축 방향을 양( + ) (+)( + ) 으로 할 때, 충돌 전후 A , B \mathrm{A}, \mathrm{B}A , B 의 운동량을 x , y x, yx , y 성분으로 분해하면 아래 그림과 표와 같다.
구분
물체
$x$ 성분
$y$ 성분
충돌 전
$\mathrm{A}$
$m_{\mathrm{A}} v_0$
$0$
$\mathrm{B}$
$0$
$0$
충돌 후
$\mathrm{A}$
$m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \cos \theta_1$
$m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \sin \theta_1$
$\mathrm{B}$
$m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} \cos \theta_2$
$- m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} \sin \theta_2$
운동량 보존 법칙을 x xx , y yy 성분에 각각 적용한다.
x xx 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
m A v 0 = m A v A cos θ 1 + m B v B cos θ 2 m_{\mathrm{A}} v_0 = m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \cos\theta_1 + m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} \cos\theta_2m A v 0 = m A v A cos θ 1 + m B v B cos θ 2
y yy 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
0 = m A v A sin θ 1 − m B v B sin θ 2 0 = m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \sin\theta_1 - m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} \sin\theta_20 = m A v A sin θ 1 − m B v B sin θ 2
그림 (가)는 마찰이 없고 수평인 x y xyx y 평면에서 물체 A \mathrm{A}A 가 원점에 정지해 있는 물체 B \mathrm{B}B 를 향해 x xx 축을 따라 속력 v 0 v_0v 0 로 등속도 운동하는 모습을,
(나)는 (가)에서 물체 A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 가 충돌한 후 A \mathrm{A}A , B \mathrm{B}B 는 x xx 축과 각각 3 0 ∘ 30^\circ3 0 ∘ , 6 0 ∘ 60^\circ6 0 ∘ 의 각을 이루며 속력이 각각 4 3 m / s 4\sqrt{3}\,\mathrm{m/s}4 3 m / s , v B v_{\mathrm{B}}v B 인 모습을 나타낸 것이다.
A \mathrm{A}A 와 B \mathrm{B}B 의 질량이 1 k g 1\,\mathrm{kg}1 k g 으로 같을 때, v 0 v_0v 0 와 v B v_{\mathrm{B}}v B 를 구해보자. (단, 물체의 크기는 무시한다.)
축 방향을 양( + ) (+)( + ) 으로 할 때, 충돌 전후 A , B \mathrm{A}, \mathrm{B}A , B 의 운동량을 x , y x, yx , y 성분으로 분해하면 아래 그림과 표와 같다.
구분
물체
$x$ 성분
$y$ 성분
충돌 전
$\mathrm{A}$
$v_0\,\mathrm{kg}$
$0$
$\mathrm{B}$
$0$
$0$
충돌 후
$\mathrm{A}$
$4\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}\times \cos 30^\circ$
$=4\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}\times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=6\,\mathrm{kg·m/s}$
$4\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}\times \sin 30^\circ$
$=4\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}\times \frac{1}{2}$
$=2\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}$
$\mathrm{B}$
$v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}\times \cos 60^\circ$
$=v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}\times \frac{1}{2}$
$=\frac{1}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}$
$-v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}\times \sin 60^\circ$
$=-v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}\times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=-\frac{\sqrt{3}}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}$
운동량 보존 법칙을 x xx , y yy 성분에 각각 적용한다.
x xx 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
v 0 k g = 6 k g ⋅ m / s + 1 2 v B k g v_0\,\mathrm{kg} = 6\,\mathrm{kg·m/s} + \frac{1}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}v 0 k g = 6 k g ⋅ m / s + 2 1 v B k g ⋯①
y yy 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
0 = 2 3 k g ⋅ m / s − 3 2 v B k g , 0 = 2\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s} - \frac{\sqrt{3}}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg},0 = 2 3 k g ⋅ m / s − 2 3 v B k g ,
3 2 v B k g = 2 3 k g ⋅ m / s , \frac{\sqrt{3}}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg} = 2\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s},2 3 v B k g = 2 3 k g ⋅ m / s ,
3 2 v B = 2 3 m / s , \frac{\sqrt{3}}{2} v_{\mathrm{B}} = 2\sqrt{3}\,\mathrm{m/s},2 3 v B = 2 3 m / s ,
v B = 4 m / s v_{\mathrm{B}} = 4\,\mathrm{m/s}v B = 4 m / s 이다.
이를 ①에 넣으면
v 0 k g = 6 k g ⋅ m / s + 1 2 v B k g v_0\,\mathrm{kg} = 6\,\mathrm{kg·m/s} + \frac{1}{2} v_{\mathrm{B}}\,\mathrm{kg}v 0 k g = 6 k g ⋅ m / s + 2 1 v B k g 에서
v 0 k g = 6 k g ⋅ m / s + 2 k g ⋅ m / s , v_0\,\mathrm{kg} = 6\,\mathrm{kg·m/s} + 2\,\mathrm{kg·m/s},v 0 k g = 6 k g ⋅ m / s + 2 k g ⋅ m / s ,
v 0 k g = 8 k g ⋅ m / s , v_0\,\mathrm{kg} = 8\,\mathrm{kg·m/s},v 0 k g = 8 k g ⋅ m / s ,
v 0 = 8 m / s v_0 = 8\,\mathrm{m/s}v 0 = 8 m / s 이다.
1번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $2$
축 방향을 양( + ) (+)( + ) , A \mathrm{A}A 의 질량을 m A m_{\mathrm{A}}m A 라 하고, 충돌 전후 A , B \mathrm{A}, \mathrm{B}A , B 의 운동량을 x , y x, yx , y 성분으로 분해하면 아래 그림과 표와 같다.
구분
물체
$x$ 성분
$y$ 성분
충돌 전
$\mathrm{A}$
$\sqrt{3} m_{\mathrm{A}} \,\mathrm{m/s}$
$0$
$\mathrm{B}$
$0$
$0$
충돌 후
$\mathrm{A}$
$m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \times \cos 30^\circ$
$=m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=\frac{\sqrt{3}}{2} m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}}$
$m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \times \sin 30^\circ$
$=m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} \times \frac{1}{2}$
$=\frac{1}{2} m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}}$
$\mathrm{B}$
$2\,\mathrm{kg·m/s} \times \cos 30^\circ$
$=2\,\mathrm{kg·m/s} \times \frac{\sqrt{3}}{2}$
$=\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}$
$-2\,\mathrm{kg·m/s} \times \sin 30^\circ$
$=-2\,\mathrm{kg·m/s} \times \frac{1}{2}$
$=-1\,\mathrm{kg·m/s}$
운동량 보존 법칙을 x xx , y yy 성분에 각각 적용한다.
x xx 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
3 m A m / s = 3 2 m A v A + 3 k g ⋅ m / s \sqrt{3} m_{\mathrm{A}}\,\mathrm{m/s} = \frac{\sqrt{3}}{2} m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} + \sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}3 m A m / s = 2 3 m A v A + 3 k g ⋅ m / s ⋯①
y yy 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
0 = 1 2 m A v A − 1 k g ⋅ m / s , 0 = \frac{1}{2} m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} - 1\,\mathrm{kg·m/s},0 = 2 1 m A v A − 1 k g ⋅ m / s ,
1 2 m A v A = 1 k g ⋅ m / s , \frac{1}{2} m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} = 1\,\mathrm{kg·m/s},2 1 m A v A = 1 k g ⋅ m / s ,
m A v A = 2 k g ⋅ m / s m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} = 2\,\mathrm{kg·m/s}m A v A = 2 k g ⋅ m / s ⋯②이다.
이를 ①에 넣으면
3 m A m / s = 3 2 m A v A + 3 k g ⋅ m / s \sqrt{3} m_{\mathrm{A}}\,\mathrm{m/s} = \frac{\sqrt{3}}{2} m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} + \sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s}3 m A m / s = 2 3 m A v A + 3 k g ⋅ m / s 에서
3 m A m / s = 3 k g ⋅ m / s + 3 k g ⋅ m / s , \sqrt{3} m_{\mathrm{A}}\,\mathrm{m/s} = \sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s} + \sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s},3 m A m / s = 3 k g ⋅ m / s + 3 k g ⋅ m / s ,
3 m A m / s = 2 3 k g ⋅ m / s , \sqrt{3} m_{\mathrm{A}}\,\mathrm{m/s} = 2\sqrt{3}\,\mathrm{kg·m/s},3 m A m / s = 2 3 k g ⋅ m / s ,
3 m A = 2 3 k g , \sqrt{3} m_{\mathrm{A}} = 2\sqrt{3}\,\mathrm{kg},3 m A = 2 3 k g ,
m A = 2 k g m_{\mathrm{A}} = 2\,\mathrm{kg}m A = 2 k g 이다.
이를 ②에 넣으면,
m A v A = 2 k g ⋅ m / s m_{\mathrm{A}} v_{\mathrm{A}} = 2\,\mathrm{kg·m/s}m A v A = 2 k g ⋅ m / s 에서
2 k g × v A = 2 k g ⋅ m / s , 2\,\mathrm{kg} \times v_{\mathrm{A}} = 2\,\mathrm{kg·m/s},2 k g × v A = 2 k g ⋅ m / s ,
2 v A = 2 m / s , 2 v_{\mathrm{A}} = 2\,\mathrm{m/s},2 v A = 2 m / s ,
v A = 1 m / s v_{\mathrm{A}} = 1\,\mathrm{m/s}v A = 1 m / s 이다.
따라서 정답은 2 22 번이다.
2번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $2$
축 방향을 양( + ) (+)( + ) , B \mathrm{B}B 의 질량을 m B m_{\mathrm{B}}m B 라 하고, 충돌 전후 A , B \mathrm{A}, \mathrm{B}A , B 의 운동량을 x , y x, yx , y 성분으로 분해하면 아래 그림과 표와 같다.
구분
물체
$x$ 성분
$y$ 성분
충돌 전
$\mathrm{A}$
$2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s}\times\cos 45^\circ$
$=2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s}\times\frac{\sqrt{2}}{2}$
$=2\,\mathrm{kg·m/s}$
$-2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s}\times\sin 45^\circ$
$=-2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s}\times\frac{\sqrt{2}}{2}$
$=-2\,\mathrm{kg·m/s}$
$\mathrm{B}$
$m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}}\times\cos 45^\circ$
$=m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}}\times\frac{\sqrt{2}}{2}$
$=\frac{\sqrt{2}}{2}m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}}$
$m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}}\times\sin 45^\circ$
$=m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}}\times\frac{\sqrt{2}}{2}$
$=\frac{\sqrt{2}}{2}m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}}$
충돌 후
$\mathrm{A}$와 $\mathrm{B}$가 합쳐진 덩어리
$\frac{4}{3}\left(1\,\mathrm{kg}+m_{\mathrm{B}}\right)\,\mathrm{m/s}$
$0$
운동량 보존 법칙을 x xx , y yy 성분에 각각 적용한다.
x xx 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
2 k g ⋅ m / s + 2 2 m B v B = 4 3 ( 1 k g + m B ) m / s 2\,\mathrm{kg·m/s} + \frac{\sqrt{2}}{2} m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} = \frac{4}{3} (1\,\mathrm{kg} + m_{\mathrm{B}})\,\mathrm{m/s}2 k g ⋅ m / s + 2 2 m B v B = 3 4 ( 1 k g + m B ) m / s ⋯①
y yy 성분에 운동량 보존 법칙 적용:
− 2 k g ⋅ m / s + 2 2 m B v B = 0 , -2\,\mathrm{kg·m/s} + \frac{\sqrt{2}}{2} m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} = 0,− 2 k g ⋅ m / s + 2 2 m B v B = 0 ,
2 2 m B v B = 2 k g ⋅ m / s , \frac{\sqrt{2}}{2} m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} = 2\,\mathrm{kg·m/s},2 2 m B v B = 2 k g ⋅ m / s ,
m B v B = 2 2 k g ⋅ m / s m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} = 2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s}m B v B = 2 2 k g ⋅ m / s ⋯②이다.
이를 ①에 넣으면
2 k g ⋅ m / s + 2 2 m B v B = 4 3 ( 1 k g + m B ) m / s 2\,\mathrm{kg·m/s} + \frac{\sqrt{2}}{2} m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} = \frac{4}{3} (1\,\mathrm{kg} + m_{\mathrm{B}})\,\mathrm{m/s}2 k g ⋅ m / s + 2 2 m B v B = 3 4 ( 1 k g + m B ) m / s 에서
2 k g ⋅ m / s + 2 2 × 2 2 k g ⋅ m / s = 4 3 ( 1 k g + m B ) m / s , 2\,\mathrm{kg·m/s} + \frac{\sqrt{2}}{2} \times 2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s} = \frac{4}{3} (1\,\mathrm{kg} + m_{\mathrm{B}})\,\mathrm{m/s},2 k g ⋅ m / s + 2 2 × 2 2 k g ⋅ m / s = 3 4 ( 1 k g + m B ) m / s ,
2 k g ⋅ m / s + 2 k g ⋅ m / s = 4 3 ( 1 k g + m B ) m / s , 2\,\mathrm{kg·m/s} + 2\,\mathrm{kg·m/s} = \frac{4}{3} (1\,\mathrm{kg} + m_{\mathrm{B}})\,\mathrm{m/s},2 k g ⋅ m / s + 2 k g ⋅ m / s = 3 4 ( 1 k g + m B ) m / s ,
4 k g ⋅ m / s = 4 3 ( 1 k g + m B ) m / s , 4\,\mathrm{kg·m/s} = \frac{4}{3} (1\,\mathrm{kg} + m_{\mathrm{B}})\,\mathrm{m/s},4 k g ⋅ m / s = 3 4 ( 1 k g + m B ) m / s ,
4 k g = 4 3 ( 1 k g + m B ) , 4\,\mathrm{kg} = \frac{4}{3} (1\,\mathrm{kg} + m_{\mathrm{B}}),4 k g = 3 4 ( 1 k g + m B ) ,
3 k g = 1 k g + m B , 3\,\mathrm{kg} = 1\,\mathrm{kg} + m_{\mathrm{B}},3 k g = 1 k g + m B ,
m B = 2 k g m_{\mathrm{B}} = 2\,\mathrm{kg}m B = 2 k g 이다.
이를 ②에 넣으면
m B v B = 2 2 k g ⋅ m / s m_{\mathrm{B}} v_{\mathrm{B}} = 2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s}m B v B = 2 2 k g ⋅ m / s 에서
2 k g × v B = 2 2 k g ⋅ m / s , 2\,\mathrm{kg} \times v_{\mathrm{B}} = 2\sqrt{2}\,\mathrm{kg·m/s},2 k g × v B = 2 2 k g ⋅ m / s ,
v B = 2 m / s v_{\mathrm{B}} = \sqrt{2}\,\mathrm{m/s}v B = 2 m / s 이다.
따라서 정답은 2 22 번이다.