구술면접-종단속도

1) 빗방울이 대기 중에서 지표면으로 떨어질 때 빗방울 속도는 중력가속도와 시간의 곱에 비례해 무한히 증가하지 않는다. 이유를 설명하시오.

 

2) 우리의 대기가 다른 가스 성분으로 이뤄졌다면 빗방울의 속도는 어떻게 될까?

 

3) 물과 기름 그리고 아무것도 채우지 않은 3m의 기다란 유리관 속에서 조그만 구슬을 낙하시키면 구슬의 낙하 속도는 어떻게 달라질까?

 

 

 

 

예시답안

 

1) 빗방울의 속도가 커질수록 빗방울 운동방향의 반대방향으로 작용하는 공기의 저항력(F=-kv)도 증가합니다. 이 저항력의 크기가 빗방울에 작용하는 중력(w=mg)의 크기와 같아지면 빗방울에 작용하는 알짜힘은 0이 됩니다. 따라서 그 때부터는 가속되지 않고 일정한 속력으로 떨어집니다.

 

 

2) 대기가 다른 가스 성분으로 이뤄졌다면 저항계수 k가 달라지므로 종단속도를 구하는 식 mg=kv에서 v(종단속도) 값도 달라집니다. 예를 들어 CO2같은 분자량이 큰 기체로 대기가 꽉 찬 금성이라면 공기의 저항력과 중력이 평형을 이룰 때 빗방울의 속도가 작기 때문에 지구에서의 낙하와 비교해서 천천히 떨어집니다.

 

 

3) 구슬은 아무것도 채우지 않은 유리관, 물로 채운 유리관, 기름으로 채운 유리관 순으로 낙하 속도가 늦어집니다. 왜냐하면 진공에서는 저항력이 작용하지 않고, (문제에서의 기름을 점성이 큰 식용유라고 간주하면) 기름은 점성 때문에 물보다 저항계수가 크기 때문입니다. 즉 저항계수는 공기나 물, 기름 등 유체의 점성에 대체로 비례하는데 기름은 물보다 점성이 커서 물체에 더 큰 저항력을 작용하므로 기름에서 구슬이 제일 느리게 낙하합니다. 또한 저항계수는 저항력을 받는 물체의 단면적이나 표면 상태에 영향을 받습니다.