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Aug 09, 2023

자석이 안되는 이유

Rhett Alllain 기본적으로 인터넷에 오랫동안 유포되는 밈이 있습니다.

레트 알랭

인터넷에는 기본적으로 다음과 같은 질문이 오랫동안 유포되고 있습니다. 자석으로 추진되는 차량이 작동할까요? (Reddit에 게시된 버전입니다.) 전면에 두꺼운 금속판을 부착한 픽업트럭의 아주 간단한 그림입니다. 크레인 암은 트럭 뒤쪽에서 운전실 위로 뻗어 있으며 차량 앞쪽에 강력한 자석을 고정합니다. 여기서 이론은 자석이 플레이트를 끌어당겨 트럭을 앞으로 끌어당겨 본질적으로 연료 없이도 영구 운동을 생성한다는 것입니다.

이 그림의 내 버전은 다음과 같습니다.

좋습니다. 아마도 이것이 작동하지 않을 것이라고 이미 짐작했을 것입니다. (그렇다면 우리는 이미 연료가 없는 자석 자동차를 타고 돌아다녔을 것입니다. 그렇죠?) 하지만 왜 안 될까요? 그리고 우리가 그것을 작동하게 할 수 있는 방법이 있나요?

시작해 봅시다.

우리는 항상 상호 작용을 설명하기 위해 힘을 사용합니다. 의자에 앉으면 의자가 약간의 힘으로 사용자를 밀어올리는데, 이는 바닥과 좌석 사이의 접촉력 상호 작용으로 인해 발생합니다. 지구에 서 있는 것만으로도 당신을 끌어당기는 힘, 즉 중력이 있습니다. 자석을 철 조각 근처에 놓으면 자석이 금속을 잡아당깁니다. 그 힘은 둘 사이의 자기적 상호작용에 기인합니다.

주목해야 할 중요한 점 중 하나는 이러한 모든 예제가 두 개체 간의 상호 작용이라는 것입니다. 의자 없이는 사람과 의자 사이의 상호 작용이 불가능합니다. 이것은 지구와 사람, 자석과 금속에도 해당됩니다.

두 개의 일반 객체 A와 B 사이의 상호 작용을 살펴보겠습니다. 객체 A가 객체 B를 밀면 객체 B도 정확히 동일한 힘의 힘으로 객체 A를 반대 방향으로 밀어냅니다. 우리는 이것을 종종 뉴턴의 제3법칙이라고 부릅니다. 모든 힘에는 동등하고 반대되는 힘이 있습니다.

실제로 이러한 동일한 힘과 반대되는 힘을 측정할 수 있습니다. 마찰이 적은 트랙에 카트 두 대를 가져가겠습니다. 두 카트 모두 상단에 힘 센서가 장착되어 있으며 두 센서는 고무 밴드로 연결되어 있습니다.

로렌 구드

로렌 구드

줄리안 초카투

윌 나이트

그것들을 떼어내면 어떻게 되나요? 오른쪽 카트가 왼쪽 카트를 당깁니다. 왼쪽 수레는 같은 힘으로 뒤로 당기지만 반대 방향으로 움직입니다. (실제로 이 경우에는 고무줄도 있지만 질량이 너무 작기 때문에 중력이나 자기력과 같은 기본적인 힘인 것처럼 가장할 수 있습니다.)

이 상호 작용 중에 두 개의 힘 센서가 읽는 내용은 다음과 같습니다.

뉴턴의 제3법칙 덕분에 두 센서의 힘 측정값은 거의 동일합니다.

가상의 자석 구동 차량에 대해 고려해야 할 또 다른 힘 규칙이 있습니다. 뉴턴의 제2법칙은 물체에 가해지는 알짜 힘이 물체의 속도를 변화시킨다는 것입니다. 이 법칙이 다음 방정식으로 표현되는 것을 본 적이 있을 것입니다.

로렌 구드

로렌 구드

줄리안 초카투

윌 나이트

이 1차원 방정식에서 총 힘 또는 순 힘은 물체의 질량과 가속도의 곱과 같습니다. (이것의 벡터 버전도 있지만 걱정하지 마세요.)

가속도는 물체의 속도가 얼마나 빨리 변하는지 알려줍니다. 그러나 물체에 가해지는 알짜 힘이 0이라면 가속도도 0이어야 합니다. 물체가 가속도가 0인 상태에서 정지해 있는 경우 정지 상태를 유지해야 합니다. 이는 자석 추진 트럭에도 중요합니다.

물론 이 아이디어가 효과가 있는지 테스트하는 첫 번째 단계는 실제 모델을 시험해 보는 것입니다. 그것은 매우 간단합니다. 풀 사이즈 버전은 필요하지 않습니다. 저마찰 카트를 일종의 자석 크레인과 함께 스탠드인으로 사용할 수 있습니다. 내가 만든 것은 다음과 같습니다.

로렌 구드

로렌 구드

줄리안 초카투

윌 나이트

왼쪽에는 레고 기반의 크레인에 대형 네오디뮴 자석이 부착되어 있고, 카트와 테이프로 연결되어 있는 모습이 보입니다. 이전에 이러한 기능을 사용해 본 적이 없다면 매우 강력합니다. 카트 자체에 적당한 크기의 철 막대가 부착되어 있습니다. 자석과 다리미 사이에는 실제로 상당한 인력이 있습니다. 주의하지 않으면 손가락이 집힐 만큼 강력합니다.