물리 실험실

자유낙하 · 포물선 운동이란?

공기저항이 없다면, 물체는 질량과 상관없이 똑같은 중력가속도로 떨어집니다. 지표면 근처에서 이 값은 약 9.81 m/s² — 1초마다 낙하 속도가 9.81 m/s씩 빨라진다는 뜻입니다. 여기에 수평 초기 속도를 주면 포물선 운동이 됩니다. 핵심은 이 운동을 수평 방향과 연직 방향으로 나눠서 볼 수 있다는 점입니다. 수평 방향에는 힘이 없어 속도가 일정한 등속 운동, 연직 방향에는 중력만 작용해 속도가 일정하게 빨라지는 등가속 운동이 됩니다. 두 방향은 서로 영향을 주지 않기 때문에(운동의 독립성), 옆으로 아무리 빠르게 던져도 같은 높이에서 그냥 떨어뜨린 물체와 착지 시간이 똑같습니다. 실제로는 공기저항이 속도의 제곱에 비례해 커져, 어느 순간 중력과 균형을 이루는 종단속도에 도달합니다.

이렇게 관찰해보세요

수평 초기 속도를 0으로 두면 순수 수직 낙하입니다. 공기저항 0에서 낙하 시간이 자유낙하 공식( $y = h - \frac{1}{2} g t^{2}$ )과 정확히 일치하는지 확인해보세요.
수평 초기 속도를 키워 물체를 옆으로 “던져” 보세요. 하나의 포물선 운동이 ①연직 · ②포물선 · ③수평세 갈래로 나뉘어 나타납니다. 공을 하나만 떨어뜨릴 때 실험하기 패널의 ‘보여줄 운동’ 토글로 보고 싶은 것만 켜고 끌 수 있습니다.
궤적에 찍히는 점은 일정한 시간 간격으로 남습니다. ①은 아래로 갈수록 점 간격이 벌어지고(가속), ③은 간격이 일정합니다(등속) — 점만 봐도 어느 쪽이 등가속인지 읽을 수 있습니다.
가속도 그래프를 보세요. ②의 속력은 계속 커지는데 가속도 선은 평평합니다. 속력이 변하는 것과 가속도가 변하는 것은 다른 이야기입니다.
같은 높이에서 수평 속도만 바꿔가며 착지 시간을 비교해보세요 — 수평 속도가 달라도 착지 시간은 그대로라는 “운동의 독립성”을 직접 확인할 수 있습니다.
이제 공기저항을 올려 보세요. ③의 속력 선이 더 이상 수평이 아니라 아래로 기웁니다. 공기저항은 속도 벡터 전체에 작용하므로 수평·연직이 서로 간섭하게 되고, 운동의 독립성이 깨집니다.
중력가속도를 지구·달·화성으로 바꿔가며 궤적과 착지 시간이 어떻게 달라지는지 관찰해보세요.