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용수철을 연결하면?

대한민국 교육부 2015. 10. 5. 13:17

용수철을

연결하면?



용수철을 하나만 사용하는 경우에는 용수철에 힘을 주었을 때 훅의 법칙을 이용하여 용수철이 늘어나는 길이를 예측할 수 있습니다. 또 용수철 상수(k)를 확인하면 용수철에 가한 힘에 따라 용수철이 얼마나 늘어날지를 예측할 수 있습니다. 만약 용수철 두 개를 연결한다면 어떻게 될까요? 전구를 직렬과 병렬로 연결하는 것처럼 용수철도 직렬과 병렬로 연결하면 어떻게 되는지 알아봅시다. 


용수철의 직렬 연결 

용수철을 한 줄로 연결하는 것을 직렬 연결이라고 합니다. 용수철 두 개를 직렬로 연결하면 용수철을 한 개만 사용할 때와 비교하여 어떤 변화가 있을까요? 


▲ 용수철의 직렬 연결(출처: 에듀넷)


만약 용수철 상수가 100N/m인 용수철에 10N의 힘을 주면 용수철은 0.1m 늘어나게 됩니다. 용수철 상수가 100N/m로 같은 두 용수철을 직렬로 연결한 후 10N의 힘을 주면 어떻게 될까요? 직렬 연결된 용수철의 끝에서 10N의 힘으로 잡아당기면 각각의 용수철은 모두 10N의 힘을 받게 됩니다. 그래서 첫 번째 용수철도 0.1m 늘어나고, 두 번째 용수철도 0.1m 늘어나게 되어, 용수철이 늘어난 전체 길이는 0.2m가 됩니다. 


용수철 한 개를 10N의 힘으로 잡아당겼을 때와 비교하면 같은 크기의 힘을 주었을 때 용수철을 직렬로 연결하는 경우 더 많이 늘어난다는 것을 알 수 있습니다. 같은 크기의 힘을 주었을 때 용수철이 더 많이 늘어난다는 것은 용수철 상수가 작다는 것을 뜻하기 때문에, 용수철을 직렬로 연결하면 용수철 상수가 처음보다 작아진다고 할 수 있습니다. 


용수철의 병렬 연결 

용수철이 서로 나란하게 배열되도록 용수철의 양쪽 끝을 서로 연결하는 것을 용수철의 병렬 연결이라고 합니다. 두 개의 용수철을 병렬로 연결한 경우의 용수철 상수는 어떻게 될까요? 


▲ 용수철의 병렬 연결(출처: 에듀넷)


용수철 상수가 100N/m인 용수철 두 개를 병렬로 연결한 후 10N의 힘을 주면 어떻게 될까요? 병렬 연결된 용수철을 서로 이어 주는 막대를 10N의 힘으로 잡아당기면 각각의 용수철은 5N의 힘만 받게 됩니다. 그래서 두 용수철은 각각 0.05m씩 늘어나게 되어, 실제로 용수철이 늘어난 전체 길이, 즉 용수철을 이어 주는 막대가 이동한 거리는 0.05m가 됩니다. 


이 결과를 용수철 한 개를 10N의 힘으로 잡아당겼을 때와 비교하면 같은 크기의 힘을 주었을 때 용수철을 병렬로 연결하는 경우 용수철이 더 작게 늘어난다는 것을 알 수 있습니다. 같은 크기의 힘을 주었을 때 용수철이 더 작게 늘어난다는 것은 용수철 상수가 크다는 것을 뜻하기 때문에, 용수철을 병렬로 연결하면 용수철 상수가 처음보다 커진다고 할 수 있습니다. 즉, 용수철이 한 개일 때보다 두 개를 병렬로 연결했을 때 더 늘어나기 힘들어지는 것입니다. 



[자료출처: 에듀넷]




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