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위치에너지
위치에너지는 기준면에 대하여 높이를 가진 모든 물체가 가진 에너지이다. 퍼텐셜 에너지(Potential Energy)라고도 한다. 위치에너지의 크기는 물체의 질량이 클수록, 높이가 높을수록 커진다. 단위는 줄(J)을 사용한다.[1]
개요[편집]
위치에너지는 물체가 그 위치에서 잠재적으로 지니는 에너지를 뜻한다. 중력 등의 포텐셜 힘의 작용을 받고 있을 때 정지된 물체의 에너지는 그 위치에 따라 다르다. 이처럼 물체의 위치에 따라 정해지는 에너지를 위치에너지라도 한다. 질량 m의 물체를 P의 위치에서 h만큼 높은 위치 P로 옮기기 위해서는 mgh의 에너지를 외부에서 주지 않으면 안되고 이 에너지는 물체를 P에 정지된 상태에서 인력에 거슬러 P에 정지된 상태로 옮기는 데 필요한 것이며 점 P에 있는 물체는 점 P에 있을 때보다 mgh만큼 큰 위치에너지를 가진다. 위치 에너지의 값은 다른 위치에서의 값에 대한 차만이 의미가 있다. 댐의 물이 낙하하여 터빈을 회전시키면 전기 에너지가 발생하는데, 이 전기 에너지는 댐의 물의 위치 에너지가 그 형태를 바꾼 것이다. 수평면 위에서는 마찰력에 거슬러서 물체의 위치를 바꾸어도 물체의 위치 에너지는 증감하지 않는다. 이때 외부에서 주지 않으면 안되는 에너지는 물체의 이동 경로의 거리에 따르며 처음과 끝의 위치만으로 결정되지는 않는다. 이에 대해 외력의 작용을 받는 정지된 물체의 위치를 점 r에서 점 r까지 옮기는 데 외부에서 가해야 할 에너지가 두 점의 위치에 의해서만 결정되는 경우가 많다.[2] 위치에너지 용어는 19세기에 스코틀랜드의 물리학자인 윌리엄 랭킨이 처음 사용하였다.[3]
종류[편집]
중력 위치에너지[편집]
중력 위치에너지는 중력이 작용하는 곳에서 높이가 있는 물체가 가지는 에너지로, 중력에 의한 위치에너지로 불린다. 중력 위치에너지는 기준면을 어디로 두느냐에 따라 높이가 달라지기 때문에 기준면에 따라 변경된다. 또한 중력에 대해 물체에 일을 해준 만큼 늘어나게 되는데 질량 m인 물체가 기준면으로부터 h의 높이에 있을 때, 중력에 대해 해준 일의 양이 중력에 의한 위치에너지이다.[4] 또한 질량을 가지는 물체 사이에는 중력이 작용한다. 이 중력도 보존력이기 때문에 물체의 이동 경로와 상관없이 처음 위치와 나중 위치가 같다면 그동안 중력에 의해서 받은 일은 같다. 따라서 경로에 상관없이 기준점으로부터 중력과 평형을 이루면서 각 위치까지 물체를 이동시키기 위해서 필요한 일의 양이 잘 정의된다. 예를 들어 질량 M의 질점이 원점에 있고, 질량 m의 질점이 거리 r만큼 떨어진 곳에 있을 때 두 질점 사이에 작용하는 힘은 질점 M에서 거리가 무한대인 곳을 위치에너지가 0인 기준점으로 생각할 때, 거리 r인 곳에서 m의 위치에너지는 무한대의 위치에서 거리 r인 위치까지 질점 m을 중력과 평형을 이루면서 이동시키는데 필요한 일의 양이다. 따라서 중력에 의한 질점 m의 위치에너지는 -GMm/r이다.[5]
탄성 위치에너지[편집]
탄성 위치에너지는 탄성력에 관한 위치에너지로도 불리며, 탄성력을 가지는 물체인 스프링 등에 탄성변형이 발생할 때 저장되는 에너지로 탄성계수와 변형 거리의 제곱에 비례한다.[6] 더불어 물체에 외력이 가해져 운동 상태가 변하지 않고 물체의 외형이 변하면 물체는 다시 원형으로 돌아오려는 탄성을 가진다. 따라서 물체가 변형되면 원래로 돌아오려는 에너지를 가지게 되는 것을 탄성위치에너지라고 한다. 따라서 탄성을 가지는 탄성체인 스프링이나 고무 등에서 발견할 수 있고 힘의 반대 방향으로 움직여서 이에 되돌아가려는 에너지가 축적된 것이므로 탄성위치에너지라고도 볼 수 있다.[7] 탄성력에 의한 역학적 에너지 전환은 탄성력에 의해 운동하는 물체의 위치에너지와 운동에너지가 서로 전환되며 위치에너지가 감소하면 같은 양만큼 운동에너지가 감소하게 된다. 탄성위치에너지는 탄성력에 의한 위치에너지로도 불리는데, 변형된 길이의 제곱에 비례하기 때문에 그래프로 표시하면 위로 오목한 포물선 형태가 되며, 변형된 길이에 대한 운동에너지의 그래프는 위로 볼록한 그래프가 된다. 역학적 에너지는 모든 위치에서 동일한 값을 갖게 된다.[8] 더불어 탄성에너지는 용수철을 길이 x만큼 늘이면 용수철에는 늘어나지 않은 본래의 상태로 돌아가려는 힘이 생기는데, 이 힘 F는 용수철의 늘어난 길이에 비례하며 F=－kx로 표시된다. 여기서 비례상수 k는 탄성계수이고, 마이너스 부호는 힘의 방향이 용수철이 늘어나는 방향과 반대임을 나타낸다. 용수철이 압축되어 길이가 줄어들면 x는 압축된 길이로 음수이고, 그 결과 복원력은 늘어나려는 방향으로 양수가 된다. 위치에너지의 정의에 따라서 탄성계수가 k인 용수철을 평형상태에서 x만큼 늘이기 위해서 외부에서 해주어야 하는 양을 구하면 용수철에 저장된 위치에너지가 된다. 평형 위치를 기준점으로 한다.[9]
만유인력 위치에너지[편집]
만유인력 위치에너지는 만유인력에 의한 역학적 에너지로도 불린다. 만유인력 위치에너지는 거리에 따른 만유인력의 변화로 만유인력은 지구로부터의 거리에 제곱에 반비례하여 감소한다. 따라서 만유인력 위치에너지는 지표면으로부터 높이에 비례하지 않는다. 또한 무한히 먼 곳에서 위치에너지를 0으로 정하면 거리가 r인 지점에서의 만유인력 위치에너지는 -GMm/r이다. 만유인력과 역학적 에너지 보존은 태양 주위를 도는 행성이나 지구 주위를 도는 인공위성에 중력 이외의 외력이 작용하지 않을 때는 항상 역학적 에너지가 보존된다. 따라서 중력 위치에너지 보존법칙은 만유인력 위치에너지 보존법칙이 지표면에서 적용한 결과라고 할 수 있다.[10]
활용[편집]
회생제동[편집]
회생제동은 1990년대 중반 세계 자동차 시장에 하이브리드 전기자동차에 처음 선보인 개념으로 하이브리드 전기자동차에 국한되지 않고 모터가 있는 고속철도, 전기자동차, 전기자전거, 전기 스쿠터에 이르기까지 폭넓게 적용되고 있다. 자동차의 속도를 늦추는 역할을 하므로 제동장치의 하나라고 볼 수 있고, 회생제동은 자동차의 운동에너지를 배터리에 저장된 화학에너지로 변환시킨 것으로 저장된 화학에너지를 차후에 자동차를 주행하는 데 사용할 수 있다. 움직이는 자동차는 속도의 제곱에 비례하는 운동에너지를 갖게 되며, 주행속도를 늦추기 위해 브레이크가 작용하게 된다. 대부분의 자동차는 브레이크 디스크와 라이닝 사이의 마찰 효과를 이용하여 자동차의 운동에너지를 거의 열에너지로 전환하여 자동차의 속도를 감속시키고 있다. 하지만 전기를 이용하는 모터를 사용하는 전기자동차나 하이브리드 전기자동차는 브레이크 작동 시에 구동 모터를 발전기로 사용하도록 하여 자동차가 감속할 때 잃어버리게 되는 운동에너지를 전기로 변환하고 변환된 전기가 자동차 배터리로 저장하도록 한 것이 회생제동의 원리이다. 전기 모터는 발전기로도 사용될 수 있고 자기장 속에서 전류가 흐를 때 발생하는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 전류가 흐르지 않게 되는 회생제동 구간에서는 전기 모터가 발전기 형태로 작동되고 제동할 때의 회전 저항을 제동력으로 이용하고 회전 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 에너지를 회수하는 역할을 한다. 자동차는 실제 도로 주행 시 가속, 감속, 경사로를 오르내리기 때문에 운동에너지와 위치에너지의 변동이 발생한다. 자동차의 경사로를 오르내리는 경우에 운동에너지와 위치에너지가 손실되는 만큼 내리막길에서 회생제동으로 에너지를 회수하는 상황을 확인할 수 있다.[11]
각주[편집]
- ↑ 〈위치에너지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 사이언스올, 〈위치에너지(potential energy)〉, 《사이언스올》, 2010-08-20
- ↑ 〈위치 에너지〉, 《위키백과》
- ↑ 달빛과학, 〈중력에 의한 위치 에너지〉, 《티스토리》, 2018-08-24
- ↑ 〈중력에 의한 위치에너지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 사이언스올, 〈퍼텐셜 에너지(potential energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- ↑ 사이언스올, 〈탄성 (위치) 에너지(elastic energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- ↑ JH, 〈탄성력에 의한 에너지〉, 《티스토리》, 2013-09-11
- ↑ 〈탄성위치에너지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 타키온, 〈[1]〉, 《네이버 블로그》, 2015-04-28
- ↑ 한상욱 신한대 기계자동차융합공학과 자동차공학트랙 교수, 〈(자동차 이야기(78)) 전기차의 회생제동〉, 《글로벌이코노믹》, 2021-05-02
참고자료[편집]
- 위치에너지〉, 《네이버 지식백과》
- 사이언스올, 〈위치에너지(potential energy)〉, 《사이언스올》, 2010-08-20
- 〈위치 에너지〉, 《위키백과》
- 달빛과학, 〈중력에 의한 위치 에너지〉, 《티스토리》, 2018-08-24
- 〈중력에 의한 위치에너지〉, 《네이버 지식백과》
- 사이언스올, 〈퍼텐셜 에너지(potential energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- 사이언스올, 〈탄성 (위치) 에너지(elastic energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- JH, 〈탄성력에 의한 에너지〉, 《티스토리》, 2013-09-11
- 〈탄성위치에너지〉, 《네이버 지식백과》
- 타키온, 〈[2]〉, 《네이버 블로그》, 2015-04-28
- 한상욱 신한대 기계자동차융합공학과 자동차공학트랙 교수, 〈(자동차 이야기(78)) 전기차의 회생제동〉, 《글로벌이코노믹》, 2021-05-02
같이 보기[편집]
