물리1 - 위치 에너지의 정의와 설명

이번 시간에는 물리 1의 위치 에너지를 알려드리려고 합니다.

물리 1에서 역학적 에너지에 대한 정의는 

역학적 E = 운동 E + 위치 E 입니다.

이때 운동 E에 대해서는 받아들이는 데 별다른 어려움이 없지만 위치 E에 대해서는 

왜 가속도가 5인데 중력가속도 g를 사용해 mgh를 사용해야 하지?? 라는 의문이

드는 친구들이 있을 거라 생각합니다.

이번 시간에 그 의문을 해결해드리려고 합니다

일단 위치에너지의 정의가 무엇일까요??

위치에너지는 어떤 힘이 작용하는 방향의 반대방향으로 이동한 만큼 그 힘에 대해 갖는 에너지를 말합니다.

(또한 위치E가 0이라고 할때 이 0이라는 수치는 관점(상대적)에 의해서 정해지는 것이지 절대적인 값이 아닙니다.

"지면에서 위치E를 0이라하자"라고 하면 지면에서 0인것이고, "63빌딩 옥상에서 위치E를 0이라고하자"라고 한다면 

63빙딜의 옥상에서 위치E가 0이 되는것 입니다. )

예를들면 지면에 사과가 하나 놓여있습니다.(단, 지면에서 위치E = 0)

1. 이 사과를 지면으로부터 1m만큼 들어 올렸습니다.

2. 이 사과를 지면에서 옆으로 1m만큼 옮겼습니다.

1번의 경우에는 위치에너지를 갖게 되었습니다. 하지만 2번은 여전히 위치에너지가 0입니다.

1번은 왜 위치에너지가 생겼죠?? 바로 중력이 지면으로 작용하는데 중력에 거슬러서 1m만큼 

사과를 들었기 때문에 사과에는1mgh만큼의 위치에너지가 생겼습니다.

다시 한번 묻겠습니다 이때 1번에서 사과에 위치 에너지가 생긴 이유가 무엇인가요?? 답은 중력 때문입니다.

즉 중력이 작용하지 않았다면은 지면에서 사과를 1m만큼 들어 올렸다고해도 위치에너지는 생기지 않습니다.

그러므로 1번의 사과의 위치에너지는 중력에 의한 위치에너지이고 실제로 이 사과를 실로 묶어서 가속도 5로 떨어뜨렸다 해도 

1의 사과에 위치에너지가 생긴 이유가 중력 때문이므로 실제 가속도와 상관없이 공식에서는 가속도 g를 쓰게 되는 겁니다.

이제 2번에 대해 좀 더 언급을 하면

2번 같은 경우는 사과를 1번과 같이 옮겼지만, 사과를 옮긴 방향이 중력이 작용하는 방향의 반대방향으로 옮긴 것이 아니기 때문에

2번의 사과에는 중력에 대한 위치에너지가 생기지 않는 것입니다.

나중에 물리 2 혹은 일반물리를 배우시게 되면 전위라는 개념을 배우시게 되는데요.

일반적으로 전위라는 말을 많이 쓰지만, 우리가 전기장, 전기력을 정의 하듯이 

원래는 양전하 또는 음전하의 전기적 위치에너지라는 이름을쓰지만

양전하만 언급하는 경우에는 양전하의 전기적 위치에너지를 전위로 대체해서 씀니다.

이때에도 위치에너지라는 말이 보이시죠?? 이 위치에너지도 똑같습니다.

예를 들면 A라는 점에 양전하가 고정되어있다.

1. P라는 양전하를 A로 옮긴다.

2. Q라는 음전하를 A로 옮긴다.

같은 전하는 척력이 다른 전하는 인력이 작용합니다.

그렇다면 1번의 경우는 같은 전하라서 척력이 작용하니 옮길 때 자발적으로 옮겨지는 것이 아니라 에너지를 주어야겠죠??

이때 생기는 에너지를 전위라고 하고 전위가 높아진다고 합니다 (양전하를 양전하로 옮김으로서 위치에너지를 얻고 P전하에서 손을 놓으면 P전하는 점A로부터 멀어지는 방향으로 운동합니다. 이때 생긴 운동에너지가 바로 위치에너지를 갖고 있었지 때문이죠)

반면에 2번의 경우는 서로다른 전하라 자발적으로 움직이겠죠?? 이때의 에너지는 음전하라서 음하전하의 전기적 위치에너지라 하고 전기적 위치에너지가 낮다고 합니다. (이 때에는 원래위치에서 갖고 있었던 위치에너지가 점A로 다가면서 운동에너지가 됩니다.)

물리 1을 공부하시면서 위의 전위를 이해하실 필요는 없습니다. 다만 위치에너지가 정의와 왜 위치에너지가 생기는지에 대해 이해하실 수 있게 2가지 예시를 들어서 설명하는 것이 낫겠다 싶어서 올렸습니다.

모쪼록 이 글을 읽으시고 위치에너지를 이해 하시기를 희망합니다~!