운동에너지와 위치 에너지는 자동차의 에너지 보존의 법칙에서 굉장히 중요한 기본 이론입니다. 자동차의 출발과 연관이 깊기 때문에 기본부터 알아두는 것이 중요합니다.
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운동에너지
에너지의 측면에서 바라보면 자동차가 달리고 잇는 상태는 곧 운동 에너지가 있는 상태입니다. 물리학에서는 움직이는 물체가 지니고 있는 에너지를 운동에너지라고 합니다. 에너지는 일상 대화에서도 흔히 사용하는 말입니다. 기력이나 활력 등을 포함해 다양한 힘을 만들어내는 원천의 의미로 사용할 떄가 많습니다. 가령 에너지 절약은 에너지의 소비를 억제하는 것입니다. 소비되면 사라져버리는 에너지를 소중히 사용하자는 의미입니다. 즉 일반적인 의미에서 에너지는 소비하면 사라집니다. 그러나 물리학에서는 에너지가 사라지지 않습니다.
에너지 보존의 법칙
물리학에서 말하는 에너지에는 운동 에너지 외에도 전기나 열, 빛, 소리 등 다양한 형태의 에너지가 있는데, 그 총량은 절대 변하지 않습니다. 어떤 상태의 에너지가 없어졌다면 반드시 그만큼의 에너지가 다른 형태로 변환 된 것입니다. 이것을 에너지 보존의 법칙이라고 합니다.
예를 들어 자동차 엔진은 화학 에너지를 운동에너지로 변환시키는 장치인데, 안타깝게도 화학 에너지를 전부 운동 에너지로 변환시키기가 불가능합니다. 물론 에너지는 사라지지 않으므로 운동 에너지가 되지 못한 에너지는 다른 형태의 에너지가 됩니다. 이렇게 목적한 형태 이외의 에너지로 변호나된 분량을 손실이라고 합니다.
주행 중인 자동차의 엔진이 정지하면 주행저항에 따라 속도가 줄어듭니다. 이것은 운동 에너지가 줄어든다는 뜻입니다. 줄어든 에너지는 열에너지로 변환됩니다. 에너지에는 다양한 형태가 있어서, 어떤 형태의 에너지가 감소했을 경우 반드시 다른 형태의 에너지가 증가합니다. 자동차 엔진은 연료라는 화학 에너지를 운동 에너지로 변환시키는 장치이지만, 화학 에너지의 일부는 열에너지가 됩니다.
자동차를 구동하지 않으면 정차 속도가 줄어듭니다. 이때 자동차의 운동 에너지는 열에너지로 변환됩니다.
위치 에너지
비탈길에 공을 놓으면 가만히 놔둬도 아래로 굴러갑니다. 공이 움직인다는 것은 어떤 에너지가 운동 에너지로 변환되었음을 의미합니다. 이때 운동 에너지로 변환된 에너지를 위치 에너지라고 합니다. 위치 에너지는 높이에 따른 에너지로 정의되며 높을수록 위치 에너지가 커집니다. 다만 절대적인 양으로 표시할 수 있는 운동 에너지나 열에너지 등 다른 형태의 에너지와 달리 위치 에너지는 상대적인 양으로밖에 표시하지 못합니다.
기준이 되는 위치를 정하고 그곳보다 높을 수록 위치 에너지가 커집니다. 예를 들어 수직으로 높이 던지면 공의 속도는 점점 느려집니다. 이것은 공의 운동 에너지가 위치 에너지로 변환되었음을 의미합니다. 최초의 높이를 기준 위치로 삼으면 이때의 위치 에너지는 0입니다. 공의 속도는 점점 느려지며, 속도가 0이 된 위치가 최고점입니다. 이떄 운동 에너지는 0이 되며 위치 에너지는 최대가 됩니다. 그런뒤 공이 낙하하기 시작합니다. 이번에는 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되기 때문에 공의 속도가 빨라집니다
자동차도 비탈길을 주행할 때는 위치 에너지의 영향을 많이 받습니다. 내리막길에서는 자동차를 구동하지 않아도 자동차에 가속이 붙는 경우가 있습니다. 이것은 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되기 때문입니다. 반대로 그때까지 평탄한 길에서 일정 속도로 달리다가 똑같은 구동력으로 오르막길을 오르면 자동차의 속도가 줄어듭니다. 이것은 운동 에너지가 위치 에너지로 변환되기 때문입니다.
위치 에너지와 운동에너지 차이
공을 던지는 위치를 기준 높이로 삼으면 최초의 위치에서 공의 위치 에너지는 0이 됩니다. 그리고 최고점에서 위치 에너지는 최대가 됩니다. 반대로 운동 에너지는 던질 때 최대가 되며 최고점에서 정지했을 때는 0이 됩니다. 내리막길에서는 구동력을 발휘해 가속하지 않아도 위치 에너지의 차이만큼 운동 에너지가 늘어나기 때문에 자동차가 가속합니다.
오르막길의 경우, 위치 에너지의 차이만큼 운동 에너지를 증가시키지 않으면 속도가 줄어듭니다.
경사와 마찰력
비탈길은 위치 에너지의 변화에 따라 운동 에너지를 증가시키거나 감소시킵니다. 그리고 마찰력에도 영향을 줍니다. 이미 설명했듯이 마찰력은 마찰면과 수직 방향으로 물체를 누르는 힘의 크기에 비례합니다. 자동차와 지면이 수평 상태일 경우 타이어를 노면에 대해 수직으로 누르는 힘은 자동차의 중량이지만, 노면에 경사가 있다면 자동차의 모든 중량이 타이어를 노면으로 누르는 힘은 아닙니다.
이럴경우는 힘을 성분으로 나눠서 생각합니다. 자동차의 중량을 노면에 대해 수직인 성분과 수평인 성분으로 나누면, 노면에 대해 수직인 성분만이 타이어를 노면으로 누르는 힘이 됩니다. 그런데 이 힘은 자동차의 중량보다 작아지므로 노면에 경사가 있다면 마찰력은 작아집니다. 요컨대 구동력이 작아집니다. 경사가 급할수록 타이어를 노면으로 누르는 힘이 약해지므로 구동력이 작아집니다.
마찰력의 한계도 작아지기 때문에 비탈길에서 타이어에 강한 힘을 걸면 평탄한 길보다 휠 스핀이 잘 일어납니다. 오르막길은 물론이고 내리막길도 마찬가지입니다.
한편 노면에 대해 수평인 성분은 자동차의 진행에 영향을 끼칩니다. 오르막길의 경우 자동차의 진행방향과 반대로 작용하기 때문에 자동차의 속도를 저하시킵니다. 이 힘이 바로 운동 에너지에서 위치 에너지로 변환된 힘입니다. 자동차의 진행 방향으로 작용하기 때문에 자동차의 속도를 높입니다. 앞의 경우와는 반대로 이 성분은 위치 에너지에서 운동에너지로 변환된 힘입니다.