물리학실험 - 우주선의 자세 제어
1. 실험 목적
고립된 계의 각운동량(angular momentum)은 보존되는 양이다. 또, 외력을 받는 경우에도 계에 가해지는 총 돌림힘(total torque)이 0 이면 역시 각운동량은 시간이 지나도 변화하지 않는다. 이러한 각운동량의 보존 특성은 일상의 생활에 있어서 여러 가지로 나타나고 있는데, 지구의 자전이나 공전 운동이 계속되는 것이나, 달리는 자전거가 잘 쓰러지지 않는 것이 대표적인 예이다. 이 실험에서는 이를 적극적으로 이용하고 있는 한가지 예로 과거에 우주선(또는 인공위성)의 자세 제어에 쓰인 방법에 대해 살펴보기로 한다.
회전하는 물체의 관성 모멘트와 각운동량을 측정하고 계산하는 방법, 서로 작용하는 물체간에 적용되는 작용-반작용의 법칙도 이해하고, 아울러서 각운동량의 보존 특성과 관련된 우리 주위에서 일어나는 현상들을 찾아 보라. 또, 회전각 검출기(rotary encoder)와 빛살문(photogate) 검출기를 사용한 돌기(회전)각 측정 방법, 컴퓨터를 사용한 실험을 경험하고, 물체의 돌기 운동에 미치는 쓸림힘(frictional force)의 영향에 대해서도 탐구한다.
2. 실험 개요
입자와 강체, 입자 계의 각운동량에 대해서 이해한다. (돌기 운동에 관한 한) 역학적으로 고립된 계에서 각운동량이 보존되는지 여부를 실험을 통해서 알아본다.
- 고립된 계를 어떻게 (시늉 내어) 만들 수 있는가
- 고립된 계의 각운동량은 어떻게 측정할 수 있는가
실제 실험 장치에서와 같이 굴대(회전축)의 쓸림(마찰)을 고려할 때 무엇이 어떻게 달라지겠는가
- 실험 결과로부터 쓸림의 존재 여부와 쓸림힘의 특성을 살펴본다.
3. 배경 이론
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2014.04.18
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