2021-08-22 에너지의 변환 시뮬레이션 롤러코스터가 높은 곳에서 내려오는 동안 높이는 낮아지고 속력은 점점 빨라지므로, 위치 에너지는 감소하고 운동 에너지는 증가합니다. 따라서 롤러코스터가 내려오는 동안에는 위치 에너지가 운동 에너지로 전환됩니다. 이처럼 운동하는 물체의 높이가 변할 때
위치 에너지가 운동 에너지로 또는 운동 에너지가 위치 에너지로 서로 전환됩니다. 이 물체가 가지는 위치 에너지와 운동 에너지의 합을 역학적 에너지라고 합니다. 공을 위로 던져 올리거나 자유낙하를 하는 경우를 생각해 봅시다. 공기 저항이나 마찰이 없을 경우, 위치 에너지가 감소하면 그 만큼 운동 에너지가 증가합니다. 반대로 위치 에너지가 증가하면 그 만큼 운동 에너지는 감소합니다. 따라서 물체의 역학적 에너지는 일정하게 보존됩니다. 안녕하세요. BROTHER-GTR입니다. 오늘은 롤러코스터가 동작되는 원리에 대해서 알아볼게요.
 롤러코스터는 일정한 레일을 굉장히 빠른 속도로 움직이게 됩니다. 세계 대부분의 놀이공원에서 볼 수 있는 놀이기구이며, 그 시설과 규모도 매우 크기 때문에 놀이공원의 랜드마크 역할을 톡톡히 하게 되죠. 롤러코스터의 속도와 떨어지는 각도, 높이 등은 항상 전 세계에서 어느 놀이공원의 롤러코스터가 최고인지 회자되고 있습니다.
롤러코스터는 큰 범위에서 보면 '철도'에 속하게 되는데요. 고정된 레일 위에 고정된 여러 개의 바퀴가 레일의 방향에 따라 움직이는 것은 현재 철도 시스템과 매우 비슷하기 때문입니다. 실제로 '철도'와 '롤러코스터'는 많은 부분의 기술 공유가 이루어지기도 한다고 합니다. 하지만 '철도'위를 달리는 열차와 다른 점을 한 가지 꼽아보자면 철도 위를 달리는 열차는 '엔진'이라는 동력원을 가지고 있지만 롤러코스터는 이러한 동력원을 가지고 있지 않는다는 것인데요. 그럼 어떠한 원리로 롤러코스터는 굉장한 속도로 동작되는 것일까요?
이 순간을 즐기기 위해 몇 시간씩 줄을 서기도 하시죠? 롤러코스터의 동력을 얻는 기본 원리는 위치에너지를 운동에너지로 변환시키는 것인데요. 위치에너지?? 운동에너지?? 표준국어 대사전에서는 각각을 아래와 같이 정의하고 있습니다. ※위치에너지 : 물체가 어떤 특정한 위치에서 표준 위치로 돌아갈 때까지 일을 할 수 있는 잠재적 에너지. 크기는 물체의 위치로 정하여진다. ※운동에너지 : 운동하고 있는 물체가 가지고 있는 에너지. 물체의 질량을 m, 속도를 v라고 하면 물체의 운동 에너지는 1/2mv2 가 된다. 쉽게 이야기해보자면 손바닥에 들고 있는 음료수를 놓치면 아래로 떨어지게 되죠??? 이러한 이유는 중력에 의해 작용하게 되는데요 즉 중력의 기준에서 음료수는 바닥에 위치하여 있어야 하지만 손으로 임의로 바닥과 떨어트려 들고 있기 때문에 위치에너지를 가지고 있게 됐고 음료수를 놓침으로써 원래 위치인 바닥으로 돌아가기 위해 해당 에너지를 가지고 다시 바닥으로 돌아간다는 원리입니다. 이러한 원리를 전체적인 역학적 에너지가 보존된다고 하는데요. (에너지보존의 법칙) 에너지 보존의 법칙에 의하면 물체가 가지고 있는 전체 에너지는(운동에너지+위치에너지) 물체의 위치나 속력이 달라져도 총합은 일정하다는 것이 기본 원리입니다. 즉 물체가 떨어짐으로써 위치에너지(높이)는 잃어버리지만 상대적으로 바닥으로 떨어지는 (움직이는) 운동에너지를 가지게 되기 때문에 에너지가 보존된다는 것이고 이러한 원리로 롤러코스터가 작동되게 되는 거죠. 그렇다면 롤러코스터가 구동(작동) 하기 위해서는 최초 위치에너지가 필요하게 되는데요. 이 위치에너지는 어떻게 얻게 될까요? 아마 다들 롤러코스터를 타보시면 일정 높이까지 천천히 레일을 타고 올라가는 것을 경험해 보셨을 겁니다. 아마 이때가 가장 긴장된 순간이라고도 볼 수 있는데요. (이미 레일을 타기 시작하면 정신이 없어요...)
위 움짤을 보시면 가운데 쇠사슬처럼 보이는 것을 보실 수 있습니다. 즉 저 부위에 연결된 모터가 강제로 열차를 롤러코스터 코스의 최상단으로 끌고 올라가 큰 위치에너지를 만드는 것이죠. 올라가는 속도를 보시면 그렇게 빠르지 않다는 것을 느끼실 텐데요. 일반적인 인덕션 모터를 사용하진 않고 더 큰 힘을 얻기 위해 감속기가 결합된 제품으로 사용하게 됩니다. '속도가 줄면 힘이 커진다' - 좀 더 자세한 정보는 블로그에서 확인 가능하십니다.
감속기가 결합된 인덕션 모터 - 사진 : GTR 인덕션 기어 모터 (감속기 일체형) 이렇게 최상단에 위치한 롤러코스터 열차는 이제 자유낙하만 남았는데요.! 높은 위치에서 생성된 위치에너지가 운동에너지로 변하면서 어마어마한 속도로 레일을 완주하게 되는 것이죠. 이때 위치에너지 값과 운동에너지 값의 정확한 계산으로 롤러코스터는 전체 레일을 완주할 수 있게 됩니다. (위치에너지가 부족하면 롤러코스터가 중간에 멈출 수도 있겠죠?)
높~~이 올라갔으면 이제 빠르게 움직일 운동에너지로 전환! 오늘은 롤러코스터의 구동원리에 대해 알아보았습니다. 도움이 되셨나요? 다음에도 더욱 흥미로운 콘텐츠로 찾아뵙겠습니다. 이상, 오늘의 BROTHER-GTR이었습니다. 감사합니다.
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롤러코스터 에너지 전환 - lolleokoseuteo eneoji jeonhwan
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