일과 에너지 (역학적 에너지)

명절에 즐기는 민속놀이의 하나인 널뛰기를 해 본 경험이 있는가? 널뛰기는 두 사람이 널판 양쪽에서 서서 한 사람이 높이 올라갔다가 내려오면서 널판을 누르면 반대편에 있는 사람이 위로 올라갈 수 있게 하는 놀이이다. 이때 위에서 내려오는 사람은 반대편에 서 있는 사람을 위로 올려 보내는 일을 하는 것이다.
또 지름이 2~3mm 정도의 얼음덩어리인 우박이 떨어지면 비닐하우스의 지붕을 뚫어 농가에 큰 피해를 주기도 한다. 
이런 경우를 보면, 높은 곳에서 떨어지는 물체는 다른 물체에 일을 할 수 있는 능력을 갖추고 있다는 것을 알 수 있다. 달리 말하면, 높은 곳에 있는 물체는 에너지를 가지고 있다고 할 수 있다.
지구상에 있는 모든 물체는 지구 중심을 향하는 중력을 받고 있다. 그러므로 지면으로부터 어떤 높이에 있는 물체는 중력을 받아 지면을 향해 수직으로 떨어지면서 다른 물체에 일을 할 수 있다. 이처럼 높은 곳에 있는 물체가 갖는 에너지를 위치 에너지라고 한다. 중력에 의한 위치에너지 = 무게 x 높이이다. 중력에 의한 위치 에너지는 물체의 질량이 클수록, 그리고 높이가 높을수록 크다는 것을 알 수 있다. 중력은 수직 방향으로만 작용하므로 중력에 의한 위치 에너지는 기준면으로부터의 높이 h에 의해서 결정된다.
물체를 높이 h만큼 들어 올리기 위해서 힘이 물체에 한 일은 중력에 의한 위치 에너지로 물체에 저장되고, 이 물체가 낙하할 때는 같은 양의 운동에너지로 전환된다.
중력에 의한 위치 에너지는 기준면을 어떻게 정하느냐에 따라서 달라진다. 일반적으로 기준면은 지표면을 사용하지만, 임의로 편한 곳을 정하여 사용할 수도 있다. 
물체가 기준면에 놓여있다면 이 물체의 운동에너지는 0이고, 기준면보다 높은 곳에 있으면 양이고 기준면보다 낮은 곳에 있다면 음의 값이다. 이때는 물체에 일을 해주어야 물체가 기준면까지 올라올 수 있다.
양궁선수가 활시위를 잡아당겨 화살을 쏘면 화살이 날아간다. 이때 활시위를 많이 잡아당길수록 화살의 속력은 빨라지고 더 멀리까지 날아간다. 이처럼 화살의 운동은 활시위를 얼마나 많이 잡아당기느냐에 따라 결정된다.
또 텀블링을 해본 경험이 있는가? 요즈음 텀블링은 젊은이들이 재미를 위해 하지만, 아주 오래전에 알래스카 원주민들은 평지에서 먼 곳의 동향을 살피기 위해 이용하였다고 한다. 텀블링은 질긴 천을 스프링으로 팽팽하게 한 후 그 위에 올라가 힘껏 구르면 높이 솟구쳐서 먼 곳까지 볼 수 있도록 만든 장치이다. 그리고 인간의 힘으로 도저히 뛰어넘을 수 없는 높이를 장대를 이용하면 훌쩍 뛰어넘을 수 있다. 그런데, 활, 텀블링, 장대 등의 도구에는 한 가지 공통점이 있다. 바로 탄성을 지니고 있다는 것이다. 우리는 탄성을 가지고 있는 물체를 탄성체라고 한다.
탄성체를 변형시키려면 외부에서 일을 해주어야 하며 탄성체가 받은 일은 탄성체 내부에 저장된다. 그리고 변형된 탄성체는 원래의 상태로 되돌아 가면서 다른 물체에 일을 할 수 있다. 이처럼 탄성체가 가지는 위치에너지를 탄성 에너지라고 한다.  
놀이공원에서 환상 특급열차라고 하는 롤러코스터를 타고 빠른 속도로 달리면서 회전할 때의 짜릿함을 즐겨 본 경험이 있는가?
롤러코스터는 처음에는 높은 곳으로 서서히 올라갔다가 아래로 뚝 떨어져서는 빠른 속도로 달린다. 롤러코스터를 탔을 때의 짜릿함은 바로 여기에 비밀이 있는 것이다,
롤러코스터가 높은 곳으로 올라가는 것은 중력에 의한 위치에너지를 증가시키기 위해서이다. 그리고 아래로 내려오면서 엄청난 속력으로 달리면서 운동 에너지가 생기게 되는 것이다. 이처럼 이들 두 에너지 사이에는 어떤 관계가 있다.
에너지가 무엇인가를 아는 것보다 에너지가 어떻게 전환되는가를 이해하는 것이 더 중요하다, 에너지가 한 형태에서 다른 형태로 어떻게 전환되는가를 분석하면 자연에서 일어나는 거의 모든 현상과 변화를 보다 쉽게 이해할 수 있다.
지면으로부터 어떤 높이에서 손에 들고 있던 물체를 가만히 놓으면 물체가 아래로 떨어지면서 높이가 감소하므로 중력에 의한 위치에너지가 감소하지만, 물체의 속력이 점점 빨라지므로 운동에너지가 증가하게 된다. 물체가 낙하하면서 감소한 중력에 의한 위치 에너지는 없어진 것이 아니라 운동에너지로 전환된 것으로 볼 수 있다.
또, 공을 수직으로 위로 던져 올리면 공의 속력이 점점 감소하면서 운동 에너지가 감소하지만, 높이가 점점 높아지므로 중력에 의한 위치에너지는 증가한다. 이때 감소한 운동에너지는 없어지는 것이 아니라 감소한 운동에너지만큼 중력에 의한 위치 에너지로 전환되어 물체에 저장되는 것이다. 즉, 중력에 의한 위치에너지와 운동 에너지가 상호 전환되는 것이다.
따라서 물체의 중력에 의한 위치 에너지와 운동 에너지는 하나의 에너지로 묶어서 생각할 수 있는데, 이들 두 에너지의 합을 역학적 에너지라고 한다.
물체가 낙하하는 전 과정에서 물체의 운동 에너지와 중력에 의한 위치 에너지의 합은 언제나 일정하다. 일반적으로 외부에서 마찰이나 공기의 저항과 같은 다른 힘이 작용하지 않고 중력만을 받아 운동하는 물체의 역학적 에너지는 항상 보존된다. 이것을 역학적 에너지 보존의 법칙이라고 한다.
어린 시절 고무총에 작은 돌멩이를 끼워 잡아당겨서 새를 잡아 본 경험이 있는가? 고무총의 고무줄을 잡아당겨 늘일 떄 고무줄에 일해 주어야 한다. 이때 늘어난 고무줄은 탄성력에 의한 위치 에너지를 갖게 되며, 고무줄을 놓는 순간 돌멩이는 고무줄의 탄성력에 의한 위치에너지와 같은 양의 운동에너지를 갖게 된다.