달걀로 이해하는 충격량과 운동량
[문항 1] 충격량과 운동량의 법칙
[문항 1] 질량이 같은 두 달걀 A, B를 같은 높이에서 떨어뜨렸더니, A는 단단한 시멘트 바닥에 떨어져 깨졌고, B는 푹신한 방석 위에 떨어져 깨지지 않았다. 두 달걀이 바닥에 닿는 순간부터 완전히 정지할 때까지의 과정에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 공기 저항은 무시한다.)
두 달걀 A와 B는 같은 높이에서 떨어졌으므로 바닥에 도달하기 직전의 속력이 같습니다. 또한 두 달걀의 질량이 같으므로 바닥에 닿기 직전의 ‘처음 운동량’은 서로 동일합니다. 두 달걀 모두 바닥에 닿은 후 완전히 정지하였으므로 ‘나중 운동량’은 0으로 같습니다.
- ㄱ. (O) 충격량은 운동량의 변화량($\Delta p = m \Delta v$)과 같습니다. 두 달걀의 처음 운동량과 나중 운동량이 동일하므로, 운동량의 변화량이 같고 따라서 충격량의 크기도 서로 같습니다.
- ㄴ. (X) ㄱ에서 살펴본 바와 같이 두 달걀의 처음 운동량과 나중 운동량이 모두 같으므로 운동량 변화량의 크기는 A와 B가 같습니다.
- ㄷ. (O) 단단한 시멘트 바닥에 충돌한 A는 충돌 과정에서의 변형이 적어 푹신한 방석에 떨어진 B에 비해 충돌 시간이 훨씬 짧습니다.
- ㄹ. (X) 충격량 공식은 $I = F \times \Delta t$입니다. 충격량($I$)이 같을 때 충돌 시간($\Delta t$)이 짧을수록 물체가 받는 평균 힘(충격력 $F$)은 커집니다. 따라서 충돌 시간이 짧은 A가 B보다 훨씬 큰 충격력을 받아 깨지게 됩니다.
자동차의 범퍼 및 에어백, 체조 선수의 착지 매트, 번지점프 줄은 모두 충격량($I$)이 일정한 물리적 상황에서 충돌 시간($\Delta t$)을 늘려 신체가 받는 평균 충격력($F$)을 줄여주는 동일한 메커니즘을 응용한 안전장치입니다. 단순 암기가 아닌 공식을 현상에 대입하는 원리 중심의 사고가 고득점의 핵심입니다.
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