실험으로 함께하는  발명놀이

                                                         강성기 지음 / 도서출판 바른사


제 3 장   자석을 이용한 발명놀이 

 


▶  표면장력을 이용해 물 위에 띄운 바늘 나침반

  옛날에는 길을 찾을 때 하늘의 별을 보고서 찾아갔다고 합니다. 그러나 요즘에는 나침반과 지도만 있으면 아무리 어려운 길이라도 쉽게 찾아갈 수 있고 구름 위를 나는 비행기에서도 정확하게 길을 찾아 비행할 수 있습니다.

  지금 소개하는 물 나침반은, 물 위에 뜬 바늘 자석으로 방향을 찾는 방법으로 바늘과 자석으로도 간단한 나침반을 만들 수가 있답니다. 바늘을 어떻게 물 위에 띄울까 하는 것이 조금은 걱정이 되지만요.

필요한 것은

유리컵, 바늘, 자석, 화장지 조금, 나침반

어떻게 할까요

1. 자석의 N극으로 바늘의 귀에서부터 시작하여 바늘 끝으로 문지른다(이때 항상 같은 방향으로 문질러야 하며, 한번 문지른 다음, 다음 번에 문지를 위치로 자석을 옮길 동안은 바늘에서 멀리 떨어지게 해야 한다. 자석의 한쪽 극으로 문지른 바늘의 끝은 그 자석의 반대되는 극을 지니게 된다).

2. 유리컵에 물을 넣고, 화장지 1장을 작게 잘라 내어 그 위에 바늘을 올려 놓는다(이때 화장지의 크기는 바늘의 크기보다 조금만 크게 한다).

3. 바늘이 올려진 화장지 티슈를 넓은 그릇의 물위에 살짝 올려놓는다(화장지가 물 밑으로 가라앉고 바늘이 이리저리 움직이다 멈추기를 기다린다).

4. 바늘이 멈춰 가리킨 방향과 나침반의 방향을 비교해 보자.

5. 물 위에 뜬 바늘 자석 먼 곳에 자석을 갖다 대, 바늘을 움직이게 하다가 다시 멈춘 방향은 처음의 방향과 같은지 비교해 보자.

생각해볼까요?

물 위에 바늘을 띄운다는 것은 그리 간단하지는 않지만, 바늘 표면에 기름을 발라서 띄우기도 하고 위의 방법처럼 화장지를 이용하기도 합니다. 더욱 간단한 방법은 작은 스티로폼 조각에 바늘을 꽂아 띄우는 것이지만, 바늘을 직접 물 위에 띄우는 방법을 이용함으로써 액체의 표면 장력에 관한 원리도 알 수 있답니다.

표면 장력이란 분자간의 끌어당기는 인력 때문에 표면적을 최소로 줄이려하는 힘을 말하며 부피가 일정할 경우 표면적이 제일 작은 형태의 경우 둥근 모양으로 나타나게 됩니다. 빗방울이나, 물방울, 잎사귀 위의 아침 이슬이 둥근 것도 다 이와 같은 이유랍니다.

바늘이 떠 있는 수면을 잘 살펴보면 바늘 주위가 오목하게 들어가 있는 것을 볼 수 있는데, 오목하게 된 표면을 평평하게 되돌려 놓으려는 힘이 바늘을 물에서 밀어 올려 주는 표면 장력인 것입니다.

소금쟁이가 물 위를 걸어다닐 수 있는 것도 다 이러한 표면 장력을 이용한 것이랍니다.

바늘귀 쪽에 자석의 N극을 대고 바늘 끝 방향으로 문지르면 바늘의 극은 S극이 되고, 반대로 S 극으로 문지르면 N극이 됩니다. 자석의 S극을 바늘 귀쪽에 갖다 대면 멀어지려는 힘에 의해 바늘이 빙글 돌고, 반대로 자석의 N극을 바늘 귀 쪽에 갖다 대면 바늘은 당겨져 옵니다.

물 위에 뜬 바늘 자석이 정지했을 때 가리키는 방향은 항상 일정하며, N극은 북쪽을, S극은 남쪽을 가리키는 간이 나침반인 것입니다.

자석을 매달거나 물 위에 띄우면 방향을 나타낸다는 사실은 언제 발견되었는지는 알 수 없지만 지금의 나침반이 사용된 것은 13세기의 일이라고 합니다.

그 이전의 문헌에는 나침반이란 전부 자석을 나무 조각 위에 올려놓고 물위에 띄운 것, 즉, '쇠붙이로 된 물고기를 띄우면 머리는 북을 향하고 꼬리는 남을 가리킨다' 라고 기록되어 있을 뿐입니다.