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          받침대에 자기장이 있고 팽이에 역시 자석의 물체가 있습니다.  이때 서로 같은 극은 서로 밀기 때문에 한 번 돌린 팽이는 공중에 떠서 돌게 됩니다.

          가. 마찰력
          물체는 일단 운동을 시작하면 운동을 계속하려는 성질이 있다.  그러나 실제 지구상에서는 이러한 운동을 관찰할 수 없다. 그것은 물체의 운동을 방해하려는 힘이 존재하기 때문이다. 이러한 힘에는 물체와 접촉한 면에서 작용하는 마찰력과 물체가 공기나 물 속을 운동할 때 받는 저항력이 있다.

          ① 마찰력의 원인
          최근에 마찰 현상을 원자 이론으로 설명하는 응착설이 마찰의 원인으로 인정받고 있다.
          표면 이 매끄러운 금속도 현미경으로 관찰하면 돌출된 부분과 들어간 곳이 있어 매우 거친 표면처 럼 보인다.  이러한 두 표면이 접촉하면 돌출부들은 서로 접촉하게 된다. 이 접촉점에서의 압 력은 보통 표면 전체의 평균 압력보다도 엄청나게 커서 두 점은 뭉개져 응착이 된다. 즉, 접촉 부분에 있는 원자들이 서로 단단하게 달라붙게 되어 마디를 만든다. 이 때 두 표면을 서로 미끄러지게 하려면 이들 작은 마디들이 부서져야 한다.  대체로 1㎟의 면적 속에 이런 마디들이 수천 개 정도 있다. 그리고 그것들이 부서지자마자 다른 돌출 부분이 접촉하게 되어 또 다시 응착이 된다. 이러한 원인으로 마찰이 발생한다는 이론이다.

          ② 마찰력과 접촉 면적의 관계
          마찰력은 두 물체가 접촉되어 있을 때 접촉된 부분에서 두 물체를 구성하는 분자들 사이의전기적인 인력때문에 발생한다. 즉 마찰력을 일으키는 근본적인 힘은 전기력이다. 만약 수평면 위에 직육면체 모양의 물체를 놓고 잡아강기면 물체를 세워서 당길 때와 눕혀서 당기는 경우의 마찰력 차이를 느끼지 못한다.
          매끄럽게 보이는 물체의 표면을 현미경으로 크게 확대 하여 본다면 표면이 매우 울퉁불퉁하게 보일 것이다.
          두 물체가 접촉되어 있을 때 완전하게 일착되어 있는 것처럼 보일지라도 미시적으로 들여다보면 울퉁불퉁한 표면 때문에 실제로 접 촉하고 있는 면적이 그리 크지 않다. 따라서 물체를 세워놓게 되면 접하고 있는 면에 작용하는 압력이 커져서 미시적으로 접촉하는 면적이 넓어지고, 물체를 눕혀놓으면 면에 작용하는 압력이 작아져 미시적으로 접촉하는 면적이 작아지게 된다. 마찰력의 크기는 미시적으로 접촉 하는 면적에 비례하는데 물체를 눕혀놓으면 물체끼리 접하는 면적이 커지는 반면 미시적 접촉 면적이 작아지고, 물체를 세워놓으면 물체끼리 접하는 면적이 작아지는 대신 미시적 접촉 면적이 커져서 물체를 세워놓으나 눕혀놓으나 마찰력의 크기는 변하지 않게 된다.

          ③ 정지마찰력
          정지 상태 에서 물체에 작용하는 마찰력은 물체에 가해지는 외력에 대하여 항상 반대방향으로 작용하는데 이를 정지 마찰력이라고 한다. 이 때, 외력과 마찰력은 힘의 평형상태에 있다.

          ④ 최대 정지마찰력
          물체와 접촉면사이의 정지마찰력에는 한계가 주어지며, 그 이상의 힘을 가하면 물체가 움직이기 시작한다.
          이와 같이 외력에 의해 물체가 움직이기 직전의 마찰력을 최대 정지마찰력이라고 한다.
          최대 정지마찰력은 정지마찰력 중에서 가장 큰 값을 가진다.
          최대 정지마찰력의 크기는 접촉면의 성질에 따라 달라지며, 물체가 받는 수직항력에 비례한다.

          ⑤ 운동마찰력
          운동하고 있는 물체가 접촉면에 의해 받는 마찰력을 운동 마찰력이라고 한다. 운동마찰력은 운동방향과 항상 반대방향이다. 운동 마찰력은 물체의 속도나 물체에 가해지는 외력의 크기에 관계없이 거의 일정하다.
          외력이 커지면 운동 마찰력을 뺀 나머지 힘은 물체의 속도를 증가(운동에너지의 증가)시켜 물체의 운동에너지로 저장된다.

          ⑥ 마찰계수는 접촉면의 넓이와는 관계없다. 접촉면이 넓어지면 접촉면이 넓어지는 대신 수직으로 누르는 압력이 감소하므로 그 결과는 같게 된다.

          ⑦ 우리는 접촉면에서의 마찰을 줄이기 위해서 윤활유, 베어링을 이용한다. 

          반대로 자동차의 브레이크 장치와 같이 마찰을 크게 하여야 하는 경우도 두 개의 자석을 가까이 하면 서로 달라붙거나 밀어내게 된다. 봉의 볼록한 부분에는 2개의 원판형 자석이 들어있고, 밑판의 산처럼 솟은 부분에는 삼각형의 자석이 들어 있어 자석 사이에 작용하는 자기력을 이용해서 봉을 공중에 띄우고 섬광을 내며 계속해서 돌 수 있도록 만들어진 것이며 돌이의 봉에 작용하는 중력은 자석의 수직 방향 힘으로 상쇄되고 자석으로 인한 수평 방향 힘은 유리판이 봉을 미는 힘에 의해 상쇄되므로 힘이 '0'이 된다. 따라서 봉이 한 번 돌기 시작하면 한없이 돌게 되는 것이다.

          하지만 봉이 유리판과 접촉하는 부분에 작지만 마찰이 있고, 공기와의 마찰 때문에 봉이 가진 운동에너지가 열에너지로 전환되므로 결국 멈추게 된다.
          이 완구를 통해 자석의 극에 따른 성질과 자기 부상 열차의 원리를 알 수 있으며 나란하지 않은 두 힘의 합성, 힘의 평형, 회전관성과 마찰에 대해 알 수 있다.


          1) 봉과 밑판의 속은 어떤 모양으로 되어 있을까?
          그림 1에서 점선으로 나타낸 부분에 자석이 들어 있다. 봉의 볼록한 부분에는 2개의 원판형 자석이 들어있고, 밑판의 산처럼 솟은 부분에는 삼각형의 자석이 들어 있다. 그럼 자석의 극은 어떤 순서로 놓여 있을까? 자석의 극을 표시해보자.


                    [그림 3]에서 빗금으로 나타낸 부분은 같은 극이다.
                    봉 속의 자석과 밑판의 자석은 그림 (가), (나)처럼 되어 있다.

          2) 왜 유리판을 끼운 뒤 봉이 허공에 떠 있을 수 있을까? 힘을 화살표로 나타내어 보자.
          봉이 허공에 떠 있는 채로 정지해 있으므로 봉에 작용하는 힘은 합력이 0이어야 한다.
          봉이 떠 있으므로 수직방향으로 2개의 힘이 필요하다는 것을 알 수 있다. 봉의 아래쪽으로 작용하는 중력, 이 중력의 반대방향으로 봉을 들어올리는 힘이 있을 것이다. 또, 수평방향으로는 유리판이 봉을 미는 힘과 반대방향으로 봉을 앞으로 미는 힘이 있을 것이다. 따라서 바닥판이 봉에 작용하는 자기력은 수직방향의 중력과 유리판이 봉을 미는 힘의 합력과 반대방향으로 작용할 것이다.  유리판을 끼운 후, 봉과 유리판의 위치를 보면 그림 2처럼 약간 어긋나 있음을 알 수 있다.  이 때, 이 자석들끼리 작용하는 힘이 위의 비스듬한 화살표로 표시된 것이다.


          봉을 회전시키면 계속 도는 이유는 무엇일까?
          그것은 관성 때문이다. 모든 물체는 외부의 힘이 작용하지 않는한 자신의 운동상태를 계속 유지하려는 성질이 있다.  이런 성질을 관성이라고 한다.
          반대로 돌이의 봉에 작용하는 중력은 자석의 수직 방향 힘으로 상쇄되고 자석으로 인한 수평 방향 힘은 유리판이 봉을 미는 힘에 의해 상쇄되므로 알짜힘이 0이 된다. 따라서 봉이 한 번 돌기 시작하면 한없이 돌게 되는 것이다. 하지만 우리가 시간을 재었을때 결국은 멈추었다. 그 이유는?
          봉이 유리판과 접촉하는 부분에 작지만 마찰이 있고, 공기와의 마찰 때문에 봉이 가진 운동에너지가 열에너지로 전환되므로 결국 멈추게 되는 것이다. 만약에 유리판 대신 표면이 거친 판을 대어보면 확실히 봉이 빨리 멈추는 것을 볼 수 있다. 이것은 접촉면이 거칠면 마찰력이 더 커지기 때문이다.



            1. 받침대와 팽이를 확인하세요.

                                       


             2. 우선 팽이의 가운데에 전극을 차단하는 작은 조각을 빼고, 스위치를 on 하세요. 그러면 불빛이 보입니다.


                                       


             3. 팽이를 받침대 위에 놓고 팽이를 돌리듯이 돌려봐요. 
                보통 팽이는 수직으로 돌리는데 이것은 수평으로 돌리네요.


                                       


             4. 그런 다음 받침대 위에 놓고 얼마나, 어떻게 도는지 볼까요?


                                       


             5. 와! 불빛을 내며 팽이가 계속 돌고 있는데, 받침대 위에 떠서 돌고있네요!


                                       



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