실험으로 함께하는  발명놀이

                                                         강성기 지음 / 도서출판 바른사


제 4 장   한 가지만 응용해도 

 


▶  회전하는 비행장치

  프로펠러 비행기나 헬리콥터 어떤 원리에 의해 비행하거나 수직 상승할 수 있을까요? 또한 추진력은 어떻게 얻을 수 있을까요?

다음의 모델을 구상하면서 새로운 방법을 찾아보세요

 

필요한 것은

전동기 5개, 프로펠러 6개(전동기를 구입하면 프로펠러가 함께 들어 있거나 별도의 프로펠러가 있음. 개당 100원 정도), 건전지, 나무 막대, 페트병, 글루건, 전선, 모래, 셀로판 테이프, 니퍼, 스티로폼 모형 비행기, 우산살

어떻게 할까요

  [헬리콥터의 수직 상승 장치]

1. 50cm의 플라스틱 자나 나무 막대의 한가운데에 전동기의 프로펠러를 고정시킨다(글루건이나 셀로판 테이프를 이용함).

2. 막대의 한쪽 옆면에 전동기의 축이 위쪽을 향하도록 고정시켜 프로펠러를 꽂는다(문구점에서 판매하는 스티로폼 모형 헬리콥터를 사거나 만들어 붙여도 좋다).

3. 막대의 또다른 쪽 옆면에 건전지를 고정시켜 전선으로 연결한다.

4. 페트병을 반으로 잘라 뚜껑을 닫고 전동기의 회전축이 옆으로 향하도록 고정시켜 회전받침틀을 만든다(글루건이나 테이프를 사용하여 고정시키면 편리함).

5. 막대의 중앙에 고정된 프로펠러를 회전 받침틀의 전동기에 끼워 균형을 이루게 하자(이때 막대의 양쪽에 매달린 전동기 쪽과 건전지 쪽의 무게가 서로 엇비슷하게 균형을 이루게 하되 전동기 쪽의 무게를 약간 더 무겁게 하여 밑으로 내려앉게 만든다.)

6. 건전지와 전동기를 전선으로 연결하여 전동기를 회전시키자.

★ 전동기의 프로펠러가 회전되면서 헬리콥터가 수직 상승한다. 나무 막대의 한쪽 끝인 헬리콥터가 연결된 전동기 쪽의 무게가 너무 무거우면 전동기의 프로펠러가 회전을 하는데도 헬리콥터가 수직으로 상승하지 않는다. 이때는 건전지를 나무 막대의 끝 쪽으로 조금 이동시켜 무게 중심의 적절한 안배가 필요하다.

프로펠러 날개의 각도를 조정하여 공기의 흐름을 빠르게 하여 프로펠러의 힘을 증가시킨다.

  [1기의 회전 비행 장치]

1. 아크릴 판이나 나무 막대를 가로 5cm, 세로 30cm 정도로 자른다(아크릴 판이 얇을 경우에는 2장을 겹쳐서 사용하도록 하고 30cm 자를 이용하여도 가능함).

2. 나무 막대의 중앙에 프로펠러를 고정시킨다(고정된 프로펠러가 회전 받침틀의 회전축에 꽂힘).

3. 헌 우산의 우산살의 접히는 부분을 기준으로 15cm 정도 자른다.

4. 우산살의 끝부분에 전동기를 달아 프로펠러를 꽂고 스티로폼 비행기를 붙인다.

5. 모형 비행기가 연결된 우산대를 막대의 한쪽 끝부분에 붙이고 또 다른 한쪽에는 건전지를 붙인다.

6. 비행회전 받침틀 만들기

1) 페트병에 모래를 2/3 정도 넣는다(모래를 넣어 더욱 안정된 받침틀을 만들기 위해서임).

2) 전동기가 페트병의 주둥이에 꼭 맞게끔 절연 테이프를 감아 페트병의 주둥이에 꼭 끼워넣는다(전동기는 전선을 연결하여 회전 동력으로 사용하는 것이 아니고 단지 전동기의 축을 회전축으로 사용함. 이때 글루건이나 본드를 사용하여 페트병의 입구에 꼭맞게 고정시키면 한결 간편하다. 또는 전동기의 절연 테이프를 감아 페트병의 주둥이에 꼭 끼게 감아넣어 고정시키는 방법도 있음).

3) 길이 30∼40cm의 막대기 중앙에 프로펠러를 고정시킨다(프로펠러는 막대를 전동기의 회전축을 고정시켜 연결하여 부드럽게 회전할 수 있게 하는 역할을 함. 이하 모든 접착 부분을 글루건을 이용한다면 간편하다).

7. 5번의 회전 장치를 6번의 받침틀의 회전축에 끼워 고정시키고 건전지와 전동기를 전선으로 연결하여 회전시켜 보자(모형 비행기가 회전하면서 날개를 양력과 원심력에 의해 위로 상승한다)

 

 

 

 

   [2기의 회전 비행 장치]
 

1기의 회전 비행 장치를 제작하는 방법과 동일하나 나무 막대의 중앙에 고정된 프로펠러의 위쪽 면에 건전지를 고정시키고 막대의 양쪽에 회전 비행기를 하나 더 연결한다.

2기의 모형 비행기가 회전하면서 날개의 양력과 원심력에 의해 위로 상승한다.

  [4기의 회전 비행 장치]

4기의 회전 비행 장치는 2기의 회전 비행 장치를 하나 더 제작하여 십자로 연결하는 방법으로 장치할 수 있다.

4기의 모형 비행기가 회전하면서 날개의 양력과 원심력에 의해 위로 상승한다.

생각해 볼까요?

공기보다 훨씬 무거운 물체인 비행기는 작용과 반작용, 양력(뜨는 힘)의 힘을 받아 비행합니다. 옛날 프로펠러 비행기나 현대의 제트 비행기는 동력에 의해 작용과 반작용의 원리로 추진력을 얻어 날개의 양력을 이용해 날아갑니다. 이때 사용되는 동력은 추진되는 모든 비행기에 적용되지만, 이것은 양력을 일으키는 직접적인 방법이 아니라 추진력을 얻는 수단으로 사용됩니다.

프로펠러 비행기의 프로펠러 날의 표면은, 폭이 넓고 초승달 모양으로 휘어져 있어 회전하면서 공기를 비행기의 뒤쪽으로 밀어냅니다.

프로펠러의 날이 공기를 밀어내는 힘을 '작용'이라 하고 뒤로 밀리는 공기를 '반작용'이라 하며 프로펠러의 날이 밀어낸 힘과 같은 크기의 힘으로 비행기를 앞으로 나아가게 하는 것을 '반작용'입니다.

또 제트 비행기에서 분사되는 힘이 작용에 해당하며, 이에 대해 밀어낸 힘과 같은 크기의 힘으로 비행기를 앞으로 움직이게 하는 것을 반작용입니다.

비행기 날개의 단면은 위가 볼록하고 아래가 평평한 모양인데 이것을 '에어로 포일형' 이라고 합니다. 비행기가 앞으로 나아가면 날개 주위에 공기가 흐르며 위로 흐르는 공기의 이동 거리가 길기 때문에 아래의 공기보다 빠르게 흐릅니다. 빠르게 흐르는 공기는 천천히 흐르는 공기보다 압력이 낮아, 날개 위아래의 압력차 때문에 날개는 위로 힘을 받는데, 이 힘을 양력(뜨는 힘)이라고 합니다.

결국 작용과 반작용, 양력의 결합으로 비행기가 비행할 수 있습니다.

우리가 장착한 모형 비행기의 날개는 완전하지 못하지만 회전하면서 생기는 원심력과 합해져 위로 솟아오를 수 있게 되는 것입니다,.

번쩍 아이디어 잠깐!

나무 막대의 밑으로 내려와 있던 모형 비행기가 회전을 하면서 점점 위로 올라오면서 도는 이유는 무엇일까요?

비행기에 전동기와 건전지를 장착하여 낚싯줄 같은 것에 매달아 앞뒤로만 움직이게 하려면 비행기를 어떤 방법으로 매달 수 있을까요?

전동기와 건전지를 장착한 비행기가 천장에 달린 실에 연결하여서 회전하게 할 수 있는 방법을 연구해 보세요.