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시스템과 상호작용

#53 충격량과 안전 장치

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이 단원에서는 충격량, 시간, 힘 등의 핵심 개념을 다룹니다. 총 29문제와 해설로 개념을 완성하세요.

핵심 키워드

충격량시간야구평균힘에어백착지범퍼포장안전운동량충격력반비례스포츠포장재원리매트공식헬멧실생활

문제 & 해설

문제 1 · OX 문제

야구 선수가 날아오는 공을 받을 때 손을 뒤로 빼면서 마중 나가듯 잡으면 손이 덜 아프다. ( )

정답: O

날아오는 공을 받을 때 손을 앞으로 뻗어서 찰나에 팍 잡으면 손이 끔찍할 정도로 아파요! 하지만 손을 뒤로 빼면서 받으면 공이 멈추는 데 걸리는 충돌 시간이 길어져서 손이 다치지 않는답니다. 손을 뒤로 빼는 그 움직임이 사실은 충돌 시간을 벌어주는 생명의 마술이에요!

오답 잡기

손을 뒤로 빼면서 받으면 충돌 시간이 길어져 손에 작용하는 평균 힘이 작아집니다.

문제 2 · OX 문제

자동차의 에어백은 충돌 시 운전자가 받는 전체 충격량의 크기 자체를 줄여주는 안전장치이다. ( )

정답: X

많은 학생들이 헷갈리는 아주 중요한 함정이에요! 에어백은 내가 감당해야 할 충격량(빚)을 탕감해 주는 게 아니라, 일시불로 맞을 걸 할부로 천천히 나누어 맞게 해주는 장치랍니다. 충격량은 같지만, 충돌 시간을 늘려 순간적인 '평균 힘'을 줄여주는 거예요!

오답 잡기

틀렸어요! 전체 충격량을 줄이는 게 아니라, 충돌 시간을 늘려 '힘의 크기'를 줄이는 장치랍니다.

문제 3 · OX 문제

피겨 스케이팅 선수가 점프 후 얼음판에 착지할 때 무릎을 구부리는 것은 다리에 작용하는 힘의 크기를 작게 만들기 위함이다. ( )

정답: O

침대 위에서 뛸 때 무릎을 펴고 착지하면 관절이 찌릿하게 아픈 경험 다들 있죠? 무릎을 굽히면 내 몸이 착지면에서 완전히 멈플 때까지의 시간이 쭉 늘어나서, 무릎 관절이 받는 찰나의 충격(힘)이 깃털처럼 흩어지게 된답니다.

오답 잡기

무릎을 굽히면 착지 시간이 길어져 다리에 작용하는 평균 힘이 줄어듭니다.

문제 4 · OX 문제

자동차의 범퍼는 충돌 사고가 났을 때 절대 찌그러지지 않도록 단단하게 만들어야 탑승자가 안전하다. ( )

정답: X

범퍼를 강철로 절대 안 찌그러지게 만들면, 차가 벽에 부딪혔을 때 충돌 시간이 거의 0초에 가까워져서 탑승자가 모든 충격을 한 번에 다 흡수해야 해요! 오히려 범퍼가 쿠션처럼 찌그러지며 멈추는 시간을 넉넉하게 벌어주어야 우리 몸이 받는 힘이 작아진답니다.

오답 잡기

아니에요! 범퍼는 잘 찌그러지게 만들어야 충돌 시간이 길어져서 안전하답니다.

문제 5 · OX 문제

택배 상자 안에 넣는 공기가 충전된 포장재(에어캡)는 충돌 시간을 길게 하여 깨지기 쉬운 물건이 부서지지 않도록 보호한다. ( )

정답: O

맨바닥에 달걀을 떨어뜨릴 때와 푹신한 솜이불 위에 떨어뜨릴 때의 차이를 생각해 보세요! 공기가 들어간 포장재가 푹 눌리면서 충격이 가해지는 시간을 넉넉하게 늘려주기 때문에, 물품이 견뎌야 할 순간적인 힘이 뚝 떨어져서 부서지지 않는 거랍니다.

오답 잡기

공기 충전 포장재가 찌그러지며 충돌 시간을 늘려주어 물품에 가해지는 힘을 줄여줍니다.

문제 6 · OX 문제

도로에 설치된 보호 난간(가드레일)은 자동차가 충돌할 때 충돌 시간을 짧게 만들어 자동차에 작용하는 힘의 크기를 줄여 준다. ( )

정답: X

보호 난간은 자동차가 쿵! 하고 단번에 부딪혀 서지 않도록, 난간이 밀리거나 구부러지면서 차가 멈추는 시간을 최대한 길게 끌어주는 착한 장치예요. 시간이 '짧아지면' 힘은 무지막지하게 커져서 차가 완전히 박살 나게 된답니다!

오답 잡기

반대예요! 충돌 시간을 '길게' 만들어 주어야 힘의 크기가 줄어듭니다.

문제 7 · 빈칸 채우기

높이뛰기 선수의 몸이 푹신한 안전 매트에 떨어지면 충돌 ( )이/가 길어지므로 선수에게 작용하는 힘의 크기가 줄어든다. (2글자)

정답: 시간

비상 탈출 시에 소방관들이 깔아주는 거대한 에어매트를 상상해 보세요! 매트가 푹 꺼지면서 내 몸이 완전히 정지할 때까지의 여유를 벌어주죠? 이렇게 충돌이 일어나는 기간이 넉넉해지면 내 몸을 때리는 충격은 솜사탕처럼 사르르 분산된답니다.

오답 잡기

맞아요! 매트가 푹신할수록 멈추는 데 걸리는 '시간'이 길어집니다.

문제 8 · 빈칸 채우기

자동차 에어백은 충돌 시 탑승자가 받는 전체 충격량이 일정할 때, 충돌 시간을 늘려 탑승자가 받는 ( )의 크기를 줄이는 장치이다. (1글자)

정답:

한 대 크게 맞을래, 열 대로 나눠서 살살 맞을래? 라고 묻는 것과 같아요! 어차피 받아야 할 전체 충격(충격량)이 정해져 있다면, 충돌 시간을 길게 늘려 찰나에 뼈가 부러질 듯한 '이것'을 팍 줄여주는 것이 핵심 원리랍니다.

오답 잡기

정확해요! 에어백은 충돌 시간을 늘려 사람에게 작용하는 '힘'을 줄여줍니다.

문제 9 · 빈칸 채우기

자동차가 충돌할 때 운전대에서 순간적으로 부풀어 올라 충돌 시간을 길게 하여 사람에게 작용하는 힘의 크기를 줄여주는 안전장치는 ( )이다. (3글자)

정답: 에어백

얼굴이 단단한 핸들에 쾅 부딪히기 직전, 거대한 솜사탕 같은 풍선이 터져 나와 내 얼굴을 포근하게 감싸며 멈추는 시간을 벌어주죠! 자동차에서 운전자의 생명을 지키는 가장 대표적이고 폭신한 공기 주머니랍니다.

오답 잡기

정확합니다! 순간적으로 부풀어 올라 충격을 흡수하는 풍선 모양의 장치는 에어백이에요!

문제 10 · 빈칸 채우기

공기가 충전된 포장재나 자동차 범퍼의 공통점은 충돌할 때 물체의 ( )이/가 변화하는 데 걸리는 시간을 길게 늘려준다는 것이다. (3글자)

정답: 운동량

시속 100km로 달리던 자동차가 0km로 멈추는 상황을 떠올려 보세요! 자동차가 가진 이 거대한 기세(질량×속도)가 0으로 변하는 과정이 0.1초 만에 일어나는지, 1초에 걸쳐 일어나는지에 따라 우리가 받는 영향이 하늘과 땅 차이로 달라지게 된답니다.

오답 잡기

맞습니다! 달리는 기세가 멈춤으로 변하는 것이므로 정답은 운동량입니다.

문제 11 · 빈칸 채우기

야구공을 받을 때 손을 뒤로 빼면서 받으면 힘을 받는 시간이 길어지므로, 결과적으로 손에 작용하는 ( )이/가 작아진다. (3글자)

정답: 평균힘

물 풍선을 터뜨리지 않고 잡으려면 손을 뒤로 슬쩍 빼면서 받아야 하죠? 전체 충격량은 같아도 이렇게 멈추는 시간을 길게 늘려주면, 공이 내 손을 짓누르는 평균적인 데미지가 뚝 떨어져서 손이 아프지 않은 거랍니다.

오답 잡기

정확해요! 충돌 시간이 길어지면 반비례하여 작아지는 것은 평균힘입니다.

문제 12 · 빈칸 채우기

푹신한 매트, 에어백, 범퍼, 포장재 등은 모두 충돌할 때 물체에 작용하는 힘을 줄이기 위해 물체가 정지할 때까지의 충돌 ( )을/를 길게 늘려주는 장치들이다. (2글자)

정답: 시간

데드라인이 코앞인 일의 기한을 선배가 며칠 더 늘려주면 스트레스(힘)가 확 줄어들죠? 이 모든 안전장치들은 우리가 단단한 물체와 부딪혀 완전히 멈춰 설 때까지의 소중한 여유를 0.1초라도 더 길게 확보해 주어 뼈아픈 타격을 분산시켜 준답니다.

오답 잡기

정확합니다! 힘을 줄이기 위해 이 장치들이 늘려주는 것은 바로 충돌 시간이에요.

문제 13 · 단답형

자동차가 단단한 벽에 충돌할 때, 앞부분이 잘 찌그러지도록 설계되어 충돌 시간을 길게 확보함으로써 탑승자에게 가해지는 평균 힘을 줄여주는 장치는 무엇인가? (2글자)

정답: 범퍼

차가 벽에 부딪혔을 때 단 1mm도 안 찌그러진다면 탑승자가 거대한 충격을 한 번에 받아요! 이 장치가 와그작 찌그러지는 찰나의 순간들이 사실은 탑승자가 안전하게 멈플 수 있는 생명의 틈(시간)을 넉넉하게 벌어주는 과정이랍니다.

오답 잡기

정확해요! 차의 앞뒤에서 찌그러지며 쿠션 역할을 하는 장치는 범퍼입니다!

문제 14 · 단답형

같은 속도로 날아오는 야구공을 그냥 받을 때와 손을 뒤로 빼면서 받을 때, 두 경우 모두 야구공이 멈춘다면 결국 야구공이 받은 전체 '이것'의 크기는 같습니다. '이것'은 무엇인가? (3글자)

정답: 충격량

똑같은 높이에서 떨어진 계란이 맨바닥이든 방석이든 결국 멈춰 섰다면, 두 계란이 감당해야 할 데미지의 총량(빚)은 운명처럼 완벽하게 똑같아요! 다만 방석은 그 빚을 아주 천천히 갚게 해 주어 계란이 깨지는 걸 막아주는 거죠.

오답 잡기

정확해요! 멈추기 전과 후의 운동량 변화가 같으므로, 전체 충격량은 같습니다.

문제 15 · 단답형

물체가 받은 전체 충격량을 충돌 시간으로 나눈 값으로, 에어백이나 매트가 궁극적으로 줄이고자 하는 평균적인 힘을 뜻하는 세 글자 단어는 무엇인가? (3글자)

정답: 충격력

롤러코스터를 타는 내내 심장이 쫄깃해지는 정도가 매 순간 다르지만, 다 끝나고 나서 '1초당 평균 이만큼 무서웠다!'라고 계산하는 것과 같아요. 충돌할 때 복잡하게 요동치는 힘을 다루기 쉽게 전체 시간으로 나눈 평균 타격값을 의미한답니다.

오답 잡기

맞습니다! 요동치는 힘을 평균 낸 값이므로 충격력이 정답입니다.

문제 16 · 단답형

물체의 운동량 변화량(충격량)이 일정할 때, 충돌 시간과 물체가 받는 평균 힘은 서로 어떤 수학적 관계를 가지는가? (3글자)

정답: 반비례

내가 먹어야 할 피자 한 판(충격량)이 정해져 있을 때, 함께 나눠 먹는 사람 수(충돌 시간)가 늘어날수록 내가 먹는 양(평균 힘)은 반대로 줄어드는 환상의 짝꿍 관계와 같아요! 하나가 커지면 다른 하나가 쭉쭉 작아지는 마법의 원리랍니다.

오답 잡기

맞습니다! 시간이 커질수록 힘이 작아지므로 반비례 관계가 맞습니다.

문제 17 · 보기 선택

스포츠 경기에서 선수를 부상으로부터 보호하는 과학적 원리로 옳은 것을 모두 고르시오.

  • ㄱ. 야구공을 받을 때 손을 뒤로 빼면서 받으면 힘을 받는 시간이 길어진다.
  • ㄴ. 피겨 스케이팅 선수가 착지할 때 무릎을 구부리면 다리에 작용하는 힘이 커진다.
  • ㄷ. 높이뛰기 경기장의 매트가 푹신할수록 선수의 몸이 받는 평균 힘이 작아진다.
  • ㄹ. 투수가 공을 던질 때 다리를 높게 드는 것은 글러브의 충돌 시간을 길게 하기 위함이다.

정답: ㄱ, ㄷ

날아오는 물 풍선을 안 터지게 잡으려면 살살 뒤로 빼면서 받아야 하는(시간 늘리기) 원리가 스포츠 곳곳에 숨어있어요! 야구공 받기와 푹신한 매트는 이 원리를 100% 활용한 아주 똑똑한 예시랍니다. 피겨 선수는 무릎을 구부려야 힘이 '작아지고', 투수가 다리를 드는 건 공을 세게 던지기 위한 거라 안전과는 거리가 멀죠.

오답 잡기

  • 무릎을 구부리면 시간이 길어져 힘이 '작아'집니다.
  • 투수의 와인드업 동작은 공을 강하게 던지기 위한 것으로 충격 완화와 무관해요.

문제 18 · 보기 선택

교통수단에 적용된 안전장치에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고르시오.

  • ㄱ. 에어백이 순간적으로 부풀어 오르면 탑승자가 멈플 때까지의 충돌 시간이 길어진다.
  • ㄴ. 자동차 범퍼는 충돌 시 잘 찌그러지도록 설계하여 탑승자에게 작용하는 힘을 줄여준다.
  • ㄷ. 도로의 보호 난간(가드레일)은 자동차와 충돌할 때 절대 밀리지 않아야 가장 안전하다.
  • ㄹ. 에어백은 충돌 시 탑승자의 운동량 변화량 자체를 0으로 만들어 생명을 구한다.

정답: ㄱ, ㄴ

범퍼가 와그작 찌그러지고 에어백이 풍선처럼 부풀어 오르는 이유는 차가 서서히 멈플 수 있는 생명의 여유(시간)를 벌어주기 위해서예요! 반면 가드레일이 절대 안 밀리면 시멘트 벽에 박는 것과 같아서 충돌 시간이 0초가 되어 탑승자가 극심한 충격을 받을 수 있답니다. 또 에어백이 운동량 변화량(충격량)을 0으로 만든다는 건 물리 법칙을 어기는 어마무시한 오개념이에요!

오답 잡기

  • 보호 난간은 충돌 시 함께 밀리거나 구부러지면서 충돌 시간을 길게 늘려주어야 안전합니다.
  • 에어백은 운동량 변화량(충격량)을 줄이는 것이 아니라 '충돌 시간'을 늘려줍니다.

문제 19 · 보기 선택

일상생활에서 볼 수 있는 충격 완화 장치에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고르시오.

  • ㄱ. 공기가 충전된 포장재는 바닥에 떨어질 때 물품에 작용하는 평균 힘을 줄여준다.
  • ㄴ. 안전모 안쪽의 충격 흡수재는 충돌 시 찌그러지며 머리가 받는 충격량을 크게 늘려준다.
  • ㄷ. 공기가 충전된 포장재를 사용하면 물품이 바닥에 닿는 시간이 더 길어진다.
  • ㄹ. 이 장치들은 모두 F=I/t 식에서 t를 크게 만드는 원리를 이용한 것이다.

정답: ㄱ, ㄷ, ㄹ

계란을 맨바닥에 떨어뜨리는 것과 스펀지 위에 떨어뜨리는 것의 차이예요! 포장재와 안전모 흡수재는 모두 찌그러지면서 멈추는 데 걸리는 시간(t)을 넉넉하게 벌어주어, 순간적으로 파고드는 뼈아픈 타격(F)을 팍팍 줄여주는 고마운 녀석들이랍니다. 안전모가 충격량을 '늘려준다'면 머리가 더 크게 다치겠죠?

오답 잡기

  • 충격 흡수재는 충격량이 아니라 평균 힘(충격력)을 줄여주는 장치입니다.

문제 20 · 보기 선택

같은 속도로 날아오는 야구공을 얇은 글러브와 두꺼운 미트로 각각 받았을 때의 설명으로 옳은 것을 모두 고르시오. (단, 두 경우 공은 포수의 손에서 완전히 정지한다.)

  • ㄱ. 야구공이 멈플 때까지 포수의 손이 받는 전체 충격량은 두 경우 모두 같다.
  • ㄴ. 두꺼운 미트로 받을 때 야구공의 충돌 시간이 더 길다.
  • ㄷ. 얇은 글러브로 받을 때 포수의 손에 작용하는 평균 힘이 더 작다.
  • ㄹ. 두 경우 모두 야구공의 운동량 변화량은 동일하다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

똑같은 높이에서 떨어진 계란이 맨땅이냐 방석이냐의 차이예요! 날아오던 공이 완전히 멈췄다면 운동량의 변화량과 받아낸 전체 데미지(충격량)는 얇든 두껍든 100% 동일하답니다. 차이점은 두꺼운 미트가 푹 꺼지며 시간을 늘려주어 찰나의 아픔(평균 힘)을 확 줄여준다는 것뿐이죠!

오답 잡기

  • 얇은 글러브는 충돌 시간이 짧아 손에 작용하는 평균 힘이 훨씬 '큽니다' (그래서 아파요!)

문제 21 · 보기 선택

자동차 충돌 사고 시, 범퍼가 찌그러지는 과정에 대한 물리적 해석으로 옳은 것을 모두 고르시오.

  • ㄱ. 범퍼가 찌그러지는 동안 차의 속도는 서서히 0에 가까워진다.
  • ㄴ. 이 과정은 차가 완전히 멈플 때까지 걸리는 시간을 길게 늘려준다.
  • ㄷ. 범퍼가 단단할수록 찌그러지지 않아 탑승자가 받는 힘이 줄어든다.
  • ㄹ. 차가 멈추는 시간이 늘어나면 차에 가해지는 평균 충격력은 반비례하여 감소한다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

쿠션이 없는 쇠망치로 못을 때리는 것과 고무망치로 때리는 것의 차이를 상상해 보세요! 범퍼가 와그작 찌그러지는 그 찰나의 순간들이 사실 차가 서서히 멈플 수 있는 생명의 시간을 벌어주는 거랍니다. 시간이 늘어나면 우리가 느끼는 타격(충격력)은 쭉쭉 떨어지게 되죠.

오답 잡기

  • 범퍼가 단단해서 안 찌그러지면 충돌 시간이 극단적으로 짧아져 탑승자가 모든 충격을 다 받아버립니다.

문제 22 · 보기 선택

일상의 여러 상황 중, '충돌 시간을 늘려 힘을 줄이는 원리'가 공통적으로 적용된 것만 고르시오.

  • ㄱ. 태권도 선수가 기와를 격파하기 위해 손을 빠르게 내리친다.
  • ㄴ. 높이뛰기 경기장에 푹신한 안전 매트를 두껍게 깔아둔다.
  • ㄷ. 도로 가장자리에 부딪히면 찌그러지는 플라스틱 보호 난간을 설치한다.
  • ㄹ. 자동차가 미끄러지지 않도록 타이어에 특수 처리를 한다.

정답: ㄴ, ㄷ

우리가 배운 이 원리의 핵심 테마는 '푹신함'과 '찌그러짐'을 통한 여유 시간 확보예요! 푹신한 매트와 찌그러지는 난간은 완벽한 예시죠. 반면 격파는 반대로 충돌 시간을 극단적으로 줄여서 파괴력(힘)을 키우는 반대 동네 원리이고, 타이어 처리는 마찰력을 높이는 거라 아예 다른 과목 이야기랍니다.

오답 잡기

  • 격파는 충돌 시간을 '짧게' 하여 힘을 극대화하는 원리입니다.
  • 타이어 처리는 충돌이 아니라 바닥과의 '마찰력'을 높이는 원리입니다.

문제 23 · 객관식

육상 경기장이나 체조 경기장에 설치되어 있는 푹신한 안전 매트의 가장 핵심적인 물리적 역할은 무엇인가?

  • 선수가 매트에 떨어질 때 선수 몸의 전체 무게(질량)를 가볍게 만들어 준다.
  • 선수가 매트에 닿기 직전의 속도를 줄여 전체 운동량을 0으로 만든다.
  • 선수가 매트에 떨어져 멈플 때까지의 충돌 시간을 길게 늘려 선수에게 작용하는 평균 힘을 줄여준다.
  • 선수가 받는 전체 충격량 자체를 매트가 흡수하여 완전히 소멸시킨다.
  • 매트의 반발력을 이용해 선수가 다치기 전에 다시 공중으로 튀어 오르게 만든다.

정답:

높은 곳에서 아스팔트 위로 뛰어내리면 다리가 부러지지만, 소방관의 에어매트 위로 뛰면 살 수 있는 완벽한 이유예요! 내 몸무게나 떨어지는 스피드(운동량)는 매트가 바꿀 수 없지만, 매트가 푹 들어가면서 내가 멈플 때까지의 '시간'을 길게 벌어주면 내 뼈가 감당해야 할 찰나의 충격(평균 힘)이 솜사탕처럼 사르르 녹아 없어진답니다.

오답 잡기

  • 매트가 선수의 몸무게(질량)를 뺄 수는 없어요.
  • 매트에 닿기 직전의 속도는 낙하 높이에 의해 이미 결정되어 있습니다.
  • 충격량 자체를 완전히 소멸시키는 장치는 세상에 존재하지 않습니다.
  • 매트의 반발력보다 중요한 역할은 시간을 늘려주는 것입니다.

문제 24 · 객관식

자동차 범퍼의 설계 원리에 대한 설명 중 틀린 것은?

  • 충돌할 때 차량이 완전히 정지하기까지 걸리는 시간을 길게 확보하기 위한 장치이다.
  • 탑승자에게 작용하는 평균 힘의 크기를 최대한 줄이는 것이 주된 목적이다.
  • 차가 충돌할 때 찌그러지지 않고 단단하게 버틸수록 탑승자를 안전하게 보호할 수 있다.
  • 야구 선수가 공을 받을 때 손을 뒤로 빼는 것과 완벽히 동일한 물리적 원리를 사용한다.
  • 범퍼가 찌그러지는 동안 차량의 운동량은 서서히 감소하여 0이 된다.

정답:

영화 속 장갑차처럼 차가 절대 안 찌그러지게 단단하면 좋을 것 같죠? 만약 그런 차가 벽에 박으면 충돌 시간이 0.001초가 되면서 멈플 여유가 없어져 탑승자가 미사일처럼 앞으로 튕겨 나가게 돼요! 찌그러지면서 나 대신 멈플 시간을 희생해 주는 범퍼야말로 진정한 생명의 은인이랍니다.

오답 잡기

  • 범퍼는 '잘 찌그러지게' 설계해야 충돌 시간이 길어져서 탑승자가 안전합니다.

문제 25 · 객관식

다음 중 자동차 에어백과 동일하게 '충돌 시간을 늘려 힘을 줄이는 원리'가 적용되지 않은 사례는 무엇인가?

  • 포장용 상자 안에 푹신한 스펀지나 에어캡을 가득 채워 넣는다.
  • 체조 선수가 뜀틀에서 착지할 때 꼿꼿하게 서지 않고 무릎을 깊게 굽힌다.
  • 번지점프를 할 때 늘어나지 않는 밧줄 대신 탄성이 좋아 길게 늘어나는 고무줄을 사용한다.
  • 헬멧 안쪽에 단단한 쇠 대신 찌그러질 수 있는 푹신한 충격 흡수재를 넣는다.
  • 태권도 선수가 기와를 격파하기 위해 최대한 단단하고 무거운 것으로 때린다.

정답:

에어백, 스펀지, 무릎 굽히기, 늘어나는 고무줄은 모두 바닥과 부딪혔을 때 멈추는 시간을 고무줄처럼 쭈욱 늘려주어 충격을 사르르 분산시키는 아주 착한 녀석들이에요. 하지만 격파할 때는 반대로 충돌 시간을 극단적으로 짧게 만들어 무지막지한 파괴력(힘)을 뽐내는 상남자 같은 원리랍니다!

오답 잡기

  • 격파는 충돌 시간을 아주 짧게 하여 힘(파괴력)을 극대화하는 반대 원리입니다.

문제 26 · 객관식

F = I / t 공식에서 힘(F)을 줄이기 위한 방법으로, 안전 매트, 범퍼, 포장재 등이 공통적으로 취하고 있는 전략은 무엇인가?

  • 물체가 받는 전체 충격량(I)의 값 자체를 물리적으로 줄인다.
  • 힘이 작용하는 충돌 시간(t)을 길게 하여 힘(F)을 반비례하게 낮춘다.
  • 물체의 질량을 무한대로 늘려 가속도가 생기지 않도록 막는다.
  • 충돌 직전 물체의 속도를 기계적으로 0으로 만들어 버린다.
  • 힘이 작용하는 충돌 시간(t)을 최대한 짧게 하여 데미지가 들어올 틈을 안 준다.

정답:

분수에서 분모가 커지면 전체 숫자가 작아지는 수학의 원리와 똑같아요! 바닥에 떨어지는 순간 이미 내가 감당해야 할 빚(충격량 I)은 정해져 있으니, 안전장치들은 내가 빚을 갚는 기간(시간 t)을 10개월 할부처럼 길게 쭉 늘려주어서 매달 내야 하는 돈(힘 F)의 부담을 확 덜어주는 전략을 쓰고 있답니다.

오답 잡기

  • 충격량 자체를 줄이는 것은 불가능합니다. 운동량 변화량이 같으면 충격량도 같습니다.
  • 물체의 질량을 늘리는 것은 안전장치의 역할이 아닙니다.
  • 충돌 직전 속도를 0으로 만들면 충돌이 일어나지 않는 상황이므로 안전장치의 원리와 다릅니다.
  • 시간이 짧아지면 분모가 작아져서 힘(F)이 폭발적으로 커집니다.

문제 27 · 객관식

어떤 물체가 벽에 충돌하여 정지할 때, 푹신한 안전장치를 덧대어 멈추는 데 걸리는 시간이 처음보다 정확히 3배 늘어났다고 가정하자. 이때 물체가 받는 평균 힘의 크기는 어떻게 변하는가?

  • 처음과 똑같이 변함없다.
  • 처음의 3배로 커진다.
  • 처음의 9배로 커진다.
  • 처음의 1/3로 줄어든다.
  • 힘이 완전히 소멸되어 0이 된다.

정답:

혼자서 3박스 분량의 짐을 나를 때와 3명이서 1박스씩 나눠서 나를 때의 차이예요! 전체 짐(충격량)이 정해져 있을 때, 걸리는 시간이나 나눠 갖는 여유가 3배가 되면 내가 감당해야 할 찰나의 고통(평균 힘)은 정확히 3분의 1로 뚝 떨어지는 반비례의 마법이랍니다.

오답 잡기

  • 시간이 3배가 되면 힘은 변함없이 유지되지 않습니다.
  • 시간이 늘어나면 힘은 커지지 않고 줄어듭니다.
  • 시간이 3배가 되면 힘은 9배가 아니라 1/3로 줄어듭니다.
  • 힘이 완전히 0이 되지는 않습니다.

문제 28 · 객관식

자전거를 탈 때 쓰는 안전모(헬멧)의 역할과 물리적 원리를 가장 잘 설명한 것은?

  • 단단한 겉면이 관성을 없애주어 사고 시 튕겨 나가는 것을 원천 봉쇄한다.
  • 턱끈은 충돌 시간을 늘려주는 역할을 하고, 흡수재는 관성을 막아주는 역할을 분담한다.
  • 헬멧 내부의 푹신한 충격 흡수재가 찌그러지며 머리가 멈추는 데 걸리는 충돌 시간을 길게 늘려준다.
  • 헬멧을 쓰면 헬멧의 무게만큼 머리의 질량이 늘어나 바닥에 부딪힐 때 운동량의 변화가 없어진다.
  • 헬멧은 머리와 바닥 사이의 충돌 시간을 0초로 만들어 힘이 전달될 틈을 주지 않는다.

정답:

헬멧 안을 유심히 살펴보면 스티로폼 같은 녀석들이 잔뜩 붙어있죠? 우리가 넘어졌을 때 이 스티로폼이 내 머리 대신 처참하게 찌그러지면서 멈추는 시간을 사르르 벌어주기 때문에, 내 소중한 뇌가 받는 뼈아픈 타격(힘)이 마법처럼 흩어지는 완벽한 안전장치랍니다!

오답 잡기

  • 헬멧이 관성 자체를 없앨 수는 없습니다.
  • 반대예요! 턱끈이 관성을 대비하고, 흡수재가 충돌 시간을 늘려줍니다.
  • 헬멧을 쓴다고 해서 머리의 질량이 늘어나지 않습니다.
  • 충돌 시간이 0초가 되면 무한대에 가까운 힘을 받아 치명적입니다.

문제 29 · 객관식

다음 중 '충돌 시간을 늘려 물체에 가해지는 힘을 줄이는 원리'를 실생활에서 가장 바르게 적용한 사람을 고르시오.

  • 지수: 달걀을 떨어뜨릴 때 안 깨지게 하려고 아주 단단한 대리석 바닥을 준비했어.
  • 민호: 야구공을 받을 때 글러브 낀 손을 공이 날아오는 쪽으로 뻗어서 찰나에 팍 잡았어.
  • 서연: 택배로 예쁜 머그컵을 보낼 때, 상자 빈 공간에 공기가 가득 찬 포장재를 꽉꽉 채워 넣었어.
  • 태형: 자전거를 탈 때 헬멧 안에 있는 푹신한 스펀지를 다 떼어내고 딱딱한 플라스틱만 남겼어.
  • 유미: 자동차를 고를 때 부딪혀도 절대 1mm도 안 찌그러지는 튼튼한 무쇠 범퍼를 달았어.

정답:

택배에 포장재를 꽉꽉 채운 서연이가 물리 만점이네요! 포장재는 푹 꺼지며 머그컵이 상자 안에서 멈추는 데 걸리는 시간을 길게 늘려주어 컵이 받는 힘을 훌륭하게 줄여줍니다. 반면 대리석, 앞으로 뻗기, 스펀지 제거, 무쇠 범퍼는 모두 충돌 시간을 짧게 만들어 충격(힘)을 극대화하는 아주 위험하고 살벌한 행동들이랍니다.

오답 잡기

  • 단단한 대리석은 충돌 시간을 짧게 만들어 충격을 극대화합니다.
  • 앞으로 뻗기는 충돌 시간을 짧게 만들어 충격을 극대화합니다.
  • 스펀지를 제거하면 충돌 시간이 짧아져 충격이 커집니다.
  • 무쇠 범퍼는 충돌 시간을 짧게 만들어 충격을 극대화합니다.

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