Physics & Math Modeling

셔틀콕은 왜 포물선이 아닐까?

공의 포물선 운동과 셔틀콕의 항력 운동 비교 탐구 프로젝트

📚

이론 가이드 (교사용)

2D 항력 모델, 오일러 방법, 수업 지도안

📝

학생 활동지

실험 설계, 데이터 분석, 결론 작성

Step 1: 현상 관찰 및 실험 설계

📋 [ 펼쳐보기 ] 실험 가이드 및 통제 변인 설정

실험 1: 공 (통제군 - 기준 포물선)

  • 조작변인: 발사각 $\theta$ (예: 30°, 45°, 60° 고정)
  • 종속변인: 2D 궤적 $(x(t), y(t))$
  • 통제변인: 작은 공 사용, 일정한 발사 속도, 카메라 위치/각도 고정

실험 2: 셔틀콕 (실험군 - 항력 관찰)

  • 조작변인: 물체 종류 (셔틀콕)
  • 종속변인: 2D 궤적 및 속도 변화
  • 핵심 포인트: 셔틀콕이 포물선 궤적에서 어떻게 벗어나는지, 비대칭성에 주목하여 촬영합니다.
실험 사진 / Tracker 캡처
Tracker 분석 화면이나 실험 셋업 사진을
여기에 드래그하세요.

Step 2: 수학적 모델링

📐 [ 펼쳐보기 ] 1차원 종단속도 모델 (논문 요약)

Peastrel et al. (1980)은 셔틀콕 수직 낙하 실험에서 속도 제곱에 비례하는 저항($v^2$) 모델이 가장 적합함을 보였습니다.

$$ \frac{dv}{dt} = g - k v^2 $$ 이 식의 해는 종단속도 $v_T = \sqrt{g/k}$를 이용하여 다음과 같이 표현됩니다: $$ v(t) = v_T \tanh\left(\frac{g}{v_T}t\right) $$

우리는 이 아이디어를 2차원 평면 운동으로 확장합니다.

Model A 이상적 포물선 (Vacuum)

공기저항이 없다고 가정합니다.

$$ \vec{F} = m \vec{g} $$

수평: 등속 운동 ($a_x = 0$)

수직: 등가속도 운동 ($a_y = -g$)

→ 결과: $y$는 $x$에 대한 2차 함수

Model B 셔틀콕 항력 모델 (Air Drag)

항력은 속도 반대 방향, 크기는 $v^2$에 비례합니다.

$$ \vec{F}_d = -mkv \vec{v} $$
ax = -k * v * vx
ay = -g - k * v * vy

※ 해석적으로 풀기 어려워 수치해석(Euler Method)을 사용합니다.

Step 3: 데이터 분석 (Tracker 연동)

💡
Tracker 데이터 준비: 영상 분석 프로그램 Tracker에서 추출한 t, x, y 데이터가 담긴 CSV 파일이 필요합니다.
파일 미선택
  • 공: $x-t$ 그래프가 직선에 가까운가?
  • 셔틀콕: 최고점 이후 수직 낙하에 가까워지는가?
  • 속도: 종단속도 경향성이 보이는가?

Step 4: 2D 수치 시뮬레이션 (Fitting)

오일러 방법(Euler Method)을 사용하여 항력 모델을 시뮬레이션합니다. 항력 계수 $k$를 조절하여 실측 데이터(Step 3에서 로드한 데이터)와 가장 잘 맞는 값을 찾아보세요.

초기 조건 (Initial)
10.0
45
물리 계수 (Physics)
0.20

* $k$가 클수록 공기저항이 큼

Ready to simulate...
점선: 무저항 모델 실선: 항력 모델 ($k v^2$)

Step 5: 탐구 결론 및 심화 주제

심화 탐구 주제 제안

🎯
1. 최적 발사 각도

항력이 있을 때 최대 사거리를 만드는 각도는 45°보다 작을까?

💨
2. 바람의 영향

맞바람이나 뒷바람이 불 때 모델을 $\vec{v}-\vec{w}$로 수정해보자.

📏
3. 무차원화 분석

속도를 종단속도로 나누어($v/v_T$) 일반화된 그래프를 그려보자.