운동에너지, 잠재에너지, 에너지 보존 법칙이란?

피곤하거나 시장기가 느껴지면 “에너지가 없어졌다.”라고 곧잘 말한다. 에너지라는 말을 하루에 몇 번 씩 하지만, “에너지란 무엇인가?” 하고 묻는다면, 잠시 대답을 망설일 것이다. 에너지란 원래 물리학 용어이고, 그 뜻은 ‘물체가 어떤 형태로 일을 할 수 있는 힘’이라고 설명한다. 이 정의(定意) 또한 일반인에게 아리송하다. 에너지에 대한 깊은 지식은 어려운 물리학이므로, 여기서는 기본적인 내용만 이야기 해보자.

야구공을 집어 들어 던지려면 에너지가 필요하고, 화학반응이 일어나게 하는 데도 에너지가 있어야 한다. 에너지는 종류가 많다. 화학에너지, 열에너지, 전자기에너지, 중력에너지, 전기에너지, 탄성에너지, 핵에너지, 풍력에너지 등. 이런 여러 가지 에너지는 운동에너지(kinetic energy)와 잠재에너지(potential energy) 두 가지로 구분할 수 있다. 운동에너지는 물체와 물체 사이에 에너지가 옮겨질 수 있고, 다른 종류의 에너지로 변환될 수 있다.

운동에너지(키네틱 에너지)

움직이고 있는 물체는 모두 운동에너지를 가지고 있다. 거리를 달리는 차, 골문을 향해 날아가는 축구공, 나뭇잎 위를 기어가는 무당벌레 모두 운동에너지를 가졌다. 운동에너지가 많고 적음은 그 물체의 질량과 운동하는 속도에 따라 달라진다. 질량이 크고 속도가 빠를수록 에너지는 커진다. 질량이 1톤인 차와 2톤인 차가 시속 100km로 나란히 달린다면, 2톤인 차의 에너지가 2배 크다.

그런데 1톤 무게의 차 2대가 각각 시속 100km와 200km로 달린다면, 200km로 가는 차의 에너지가 2배일까? 아니다. 속도의 비율을 제곱한 값만큼(2×2=4), 즉 에너지는 4배가 된다. 따라서 속도가 3배라면 에너지는 9배가 된다. 그러므로 야구공을 2배 빠르게 던지려면 4배의 에너지가 필요한 것이다. 이를 간단한 공식으로 나타내면, 에너지 = 1/2×질량×속도의 제곱인 것이다.

운동에너지는 속도가 중요하다. 같은 종류의 트럭 2대가 시속 50km와 100km로 달리다가 벽과 충돌했다면, 100km로 가던 트럭의 에너지가 4배이므로, 그만큼(4배) 더 크게 파손될 것이다. 볼링공은 굴러가는 속도가 빠를수록 핀을 날려보내는 에너지가 강하게 작용한다.

잠재에너지(포텐셜 에너지)
언덕길 꼭대기에 정지해 있는 자동차, 선반 위에 올려둔 항아리, 가지에 매달린 사과는 중력의 영향을 받아 아래로 내려올(떨어질) 수 있는 에너지를 가졌다. 이처럼 높은 위치에 있는 물체가 가진 에너지를 잠재에너지라 한다. 잠재에너지는 놓여있는 높이에 따라 달라지기 때문에 위치에너지라 말하기도 한다.

잠재에너지는 저장되어 있는 에너지라 할 수 있다. 이 에너지는 언제라도 발생할 수 있지만 정지한 상태이다. 잠재에너지는 눌려있는 스프링, 잡아당겨진 고무줄, 화학반응이 일어날 물질 속에도 있다. 폭발하지 않은 다이너마이트는 화학에너지를 드러내지 않은 상태, 즉 잠재(潛在)하고 있는 것이다. 다이너마이트의 에너지는 퓨즈가 점화되어 폭발하기 전까지는 잠재에너지이다.

롤러코스터가 정상에 오르면 순간적으로 정지했다가 내려가기 시작한다. 정상에서 정지한 순간의 롤러코스터는 큰 잠재에너지를 가지고 있으며, 내려가는 때부터 잠재하던 에너지는 운동에너지로 변한다. 롤러코스트가 돌아가는 동안 이런 에너지의 변화는 반대로 일어나기도 할 것이다.

에너지 보존의 법칙
이처럼 에너지는 잠재에너가 운동에너지로, 운동에너지가 잠재에너지로 변할 수 있다. 흔들거리는 그네에 앉아 움직이지 않고 있을 때의 내 몸은 운동에너지가 0이다. 그러나 그네가 최고 높이에 도달한 순간 가장 큰 잠재에너지를 갖는다. 그네가 다시 내려가기 직전 순간에는 잠재에너지가 발휘되지 않고 보존된 상태인 것이다.

물리학에는 에너지 보존의 법칙이 있다. 에너지는 다른 형태의 에너지로 변하더라도 에너지의 양은 변하지 않는다. 에너지는 저절로 생겨나지도 않고 없어지지도 않으며 다만 형태만 변한다는 법칙이다. 그런데 왕복하던 그네가 차츰 멈추거나, 빠르게 돌던 팽이가 에너지를 잃고 쓰러지게 되는 것은 에너지가 없어진 것이 아니라 공기의 저항 때문에 멈추게 된 것이다.

스트레치 밴드(stretch band)는 스프링의 잠재에너지를 운동에너지로 바꾸는 운동기구의 하나이다.

수박을 들고 4m 높이까지 올라가 들고 있으면 수박은 잠재에너지를 가지고 있다. 수박을 놓아버리면 운동에너지가 나온다. 2m 높이까지 내려오면 운동에너지의 절반 정도를 소비하고 아직 절반은 남았다. 그러다가 땅에 떨어진 순간 수박은 폭발하듯이 깨지면서 가졌던 운동에너지가 없어진다.

땅에 흩어진 수박 조각 전부와 튀어나간 수액을 전부 찾아내어 각각의 잠재에너지를 합하고, 여기에 충돌할 때 발생한 폭발음의 에너지까지 합치면, 수박이 본디 가졌던 잠재에너지와 같을 것이다. 수박은 박살이 나고, 에너지는 변환했지만, 본래의 에너지는 그대로 보존되어 있는 것이다. – YS