운동에너지(Kinetic Energy)는 운동하는 물체가 가지고 있는 에너지로, 운동하는 물체가 정지 상태에서 해당하는 속도까지 올리기 위해 필요한 일의 양이다. 운동에너지 단위는 줄(J)을 사용한다.
개요
운동에너지는 운동하고 있는 물체 또는 입자가 지니는 에너지로 위치에너지를 더해 역학적 에너지가 된다. 직선운동을 할 때 운동에너지는 질량에 비례하고 속도의 제곱에 비례한다. 회전운동을 할 때 운동에너지는 물체가 회전운동을 유지하려는 정도를 나타내는 물리량인 관성모멘트에 비례하며 각속도의 제곱에 비례한다. 운동에너지도 다른 에너지로 변환 가능하며, 에너지 보존법칙에 따라 전체 에너지는 보존된다. 예를 들면 물체가 자유낙하를 하면서 위치에너지가 감소한 만큼 운동에너지로 변환되고, 지면과 충돌할 때 운동에너지가 소리, 빛 에너지 등으로 변환된다.[1]
역사
고전역학에서 E ∝ mv2 라는 원리는 고트프리트 라이프니츠와 요한 베르누이에 의해 처음 고안되었는데, 이때 운동에너지를 살아있는 힘이라고 묘사하였다. 그다음, 네덜란드의 그라브산드는 이 관계의 실험적인 증거를 제시하였고 물체를 점토 블럭에 떨어뜨리면서 그들의 관통 깊이가 충돌 속도 크기의 제곱에 비례하는 것을 발견하였다. 브르퇴유는 실험 결과가 암시하는 바를 인지하였고 자신의 설명을 발표하였다. 운동에너지와 일이라는 용어의 현대의 과학적 의미는 코리올리가 1829년에 Du Calcul de l'Effet des Machines를 발표하는데 여기에서 운동에너지를 수학적으로 기술하려고 시도하였다.[2] 운동에너지라는 용어는 19세기 중반 켈빈 경으로 알려진 톰슨이 처음 사용하였다.[3]
특징
운동에너지는 질량 m인 물체가 속도 v로 운동하고 있을 때는 mv2/2로 표시된다. 운동상태가 바뀌어 속도가 감소하면 감소한 속도에 해당하는 만큼의 운동에너지가 열에너지나 소리 에너지와 같은 다른 형태의 에너지로 바뀐다. 운동하고 있는 물체가 마찰을 받아 정지할 때는 운동에너지가 마찰저항에 대한 일로 소비되어 열이나 소리 등 다른 에너지로 바뀐다. 하지만 좌우로 진동하는 진자와 같이 물체의 운동상태가 중력이나 전기력, 자기력 등과 같은 물체의 위치만으로 정해지는 힘의 영향을 받는 경우에는 운동에너지의 변화가 위치에너지로 저장되며, 반대로 물체의 위치에너지가 줄면 그만큼 운동에너지가 늘어 둘의 합이 항상 일정하게 보존되는데, 이러한 관계는 역학적 에너지보존법칙이라고 부른다. 또한 속도가 0일 때의 값을 빼주면, 운동에너지는 v가 c에 비해 작은 값을 나타낼 때 m0v2/2이 되어 고전역학의 운동에너지 값과 일치한다.[4]
활용
회생제동
회생제동은 제동장치의 하나이자 자동차의 운동에너지를 배터리에 저장된 화학에너지로 변환하는 것으로, 저장된 화학에너지를 차후에 자동차를 주행하는 데 사용된다. 움직이는 자동차는 속도의 제곱에 비례하는 운동에너지를 갖게 되며, 주행속도를 늦추기 위하여 브레이크가 작용하게 된다. 대부분의 자동차는 브레이크 디스크와 라이닝 사이의 마찰 효과를 이용하여 자동차의 운동에너지를 거의 열에너지로 전환하여 자동차의 속도를 감속시키며, 에너지 관점에서 관찰하면 운동에너지를 공기 중에 날려버리는 것이다. 그러나 전기를 이용하는 모터를 사용하는 전기자동차나 하이브리드 전기자동차에서는, 브레이크 작동 시에 구동 모터를 발전기록 하여 자동차가 감속할 때 잃어버리게 되는 운동에너지를 전기로 변환하고, 이렇게 변환된 전기가 자동차 배터리로 저장하도록 한 것이 회생제동의 원리이다. 더불어 전기 모터는 발전기로써도 사용되며 자기장 속에서 전류가 흐를 때 발생하는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 전류가 흐르지 않게 되는 회생제동 구간에서는 전기 모터가 발전기 형태로 작동하여 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. 자동차가 경사로를 오르내리는 경우에, 운동에너지와 위치에너지가 손실되는 만큼 내리막길에서 회생제동으로 에너지를 회수한다.[5]
각주
참고자료
같이 보기
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