▶  원심력 놀이동산

  필름통을 전동기 축에 매달아 회전 실험을 하던 중 작은 물체를 필름통 안에 떨어뜨렸습니다. 그래서 이 작은 물체를 꺼내기 위해서 회전하는 필름통을 밑으로 거꾸로 들고 흔들었지만 작은 물체는 결국 떨어지지 않았습니다.

  이 작은 물체를 떨어뜨리기 위해서는 어떻게 해야 할까요? 다음의 놀이들을 하면서 생각해 보세요.

  (1) 전동기를 돌려 봅시다

필요한 것은

건전지, 전동기, 전동기에 장착된 프로펠러, 스위치

어떻게 할까요

1. 건전지 끼우개에 건전지를 넣는다.

2. 집게 전선으로 스위치와 건전지를 연결한다.

3. 스위치와 건전지에 연결된 집게 전선을 전동기에 연결한다.

4. 전동기 축에 프로펠러를 꽂고, 스위치를 닫아 전동기를 돌리자.

★ 전동기의 회로도는 '번쩍 번쩍 랄랄라' 실험의 회로도와 같은 방법으로 연결하면 된다.

단, 꼬마 전구나 벨 대신에 전동기를 연결하면 된다.

  (2) 원심력 윷놀이

필요한 것은

전동기 회로도, 필름통, 가위, 셀로판 테이프, 수수깡, 윷판

어떻게 할까요

  [ 윷놀이 장치 만들기]

1. 전동기에 들어 있는 프로펠러를 필름통의 밑바닥 중심에 붙인다(셀로판 테이프 또는 글루건 사용)

2. 전동기의 축을 필름통의 밑 바닥에 붙여진 프로펠러에 끼우고 가벼운 물질(작은 돌멩이나 공기돌)을 넣어 거꾸로 들어 보자.

3. 필름통을 똑바로 세우고 떨어진 작은 물체를 다시 병 속에 넣은 후 스위치를 닫아 필름통이 연결된 전동기를 회전시키며, 필름통을 거꾸로 들어 보자.

4. 스위치를 열어 전동기의 회전을 멈추어 보자.

★ 작은 물체를 필름통 안에 넣어 거꾸로 들면, 작은 물체는 중력에 의해 당연히 바닥으로 떨어진다.

그러나 필름통 안에 작은 물체를 넣어 회전시켜서 거꾸로 들면 밑으로 떨어지지 않는다.

필름통의 회전을 멈추면 작은 물체는 밑으로 떨어진다.

  [ 윷 만들기 ]

1. 수수깡을 3∼4cm정도로 2개를 자른다. ]

2. 자른 수수깡을 세로로 세워 단면으로 잘라 네 조각을 만든다.

  [ 윷놀이 하기 ]

1. 필름통 안에 수수깡 윷을 넣고 전동기를 스위치를 눌러 회전시켜 보자.

2. 회전하는 필름통을 50cm 이상의 높이에서 거꾸로 들고, 잠시 후 스위치를 열어 필름통의 회전을 멈추어 윷을 떨어뜨려 윷놀이를 해보자.

  [ 윷놀이 방법 및 규칙]

1. 두 사람 혹은 네 사람 이상이 즐길 수 있다.

2. 필름통을 완전히 거꾸로 세운 다음 스위치를 열어 회전을 멈추게 하여 윷을 떨어뜨린다.

3. 윷을 떨어뜨리는 높이는 일정한 높이로 통일하여야 한다(30∼50cm로 한다).

★ 잠깐 생각해 볼까요?

필름통 속에 작은 물체나 공기 돌을 넣어 거꾸로 들면 중력에 의해 공기돌은 당연히 원기둥에서 떨어진다.

그러나 회전하는 원기둥 속의 공기돌은 거꾸로 세워도 떨어지지 않는다.

이는 원기둥이 돌아가면서 그 속의 공기돌도 같이 회전하면서 생기는 원심력이 작용하고 있기 때문에 떨어지지 않는 것이다.

원심력이란 회전하면서 원의 중심으로 멀어지려는 힘을 말하는데, 원기둥 속의 공기돌은 원기둥의 중심에서 멀어지려는 힘에 의해 멀어지려고 하지만 원기둥의 벽에 부딪쳐 붙어 있게 된 상태이다.

물컵을 긴 줄에 매달아 돌릴 때 컵 속의 물이 떨어지지 않는 것도 이와 같은 원심력에 의한 것으로 설명할 수 있다.

수수깡으로 만든 윷을 회전하는 필름통 속에 넣어 위의 원리를 응용한 놀이 장치가 원심력 윷놀이 장치이다.

  (3) 풍선 청룡열차

필요한 것은

풍선, 동전

어떻게 할까요

1. 풍선에 동전을 넣고 입으로 불어 크게 부풀린다.

2. 부풀린 풍선의 주둥이를 묶어 풍선을 옆으로 빙글빙글 돌리면서 동전의 운동을 관찰해 보자.

★ 풍선을 손목의 힘으로 빙글빙글 돌리면 풍선 속의 동전은 풍선 안쪽의 벽을 따라 굴러가면서 빙글빙글 회전한다.

또, 동전을 풍선의 가장자리에서 돌려도 나중에는 풍선의 한가운데로 이동하여 굴러가는 모습을 볼 수 있다.

동전이 풍선의 위쪽에 있을 때에도 밑으로 떨어지지 않고 회전하는 것은 무엇 때문일까?

  (4) 회전하는 깔때기 속의 구슬

필요한 것은

전동기 회로도, 깔대기 2개, 글루건, 유리 구슬

어떻게 할까요

1. 깔때기 속에 유리 구슬을 하나 넣어 또 한 개의 깔때기를 서로 맞붙인다(셀로판 테이프나 글루건 이용).

2. 깔대기의 뿔에 전동기의 프로펠러의 날개를 떼어내고 붙여 고정시킨다.

3. 전동기의 회전축을 깔대기의 뿔에 꽂아 회전시키면서 구슬의 운동을 관찰하여 보자.

★ 원기둥 모양의 필름통 안이나 풍선 속에서 동전의 회전 운동을 관찰하였지만 회전하는 통의 모양이 원이 아닌 다른 모양이라면 어떻게 변화할까? 구슬이 원뿔 바닥에서 회전하면서 점점 위로 올라가며 두 개의 깔때기가 연결된 부분에서 회전하게 된다.

  (5) 액체를 돌리면?

필요한 것은

전동기 회로도, 작은 페트병(500mml) 2개, 글루건, 색소나 물감

어떻게 할까요

1. 조그만 페트병의 밑부분 중앙에 프로펠러를 붙인다.

2. 페트병에 붉은 잉크 섞은 물을 1/3 정도 넣고 뚜껑을 닫는다.

3. 전동기의 회전축을 페트병의 중심에 붙여진 프로펠러에 끼우고 스위치를 닫아 회전하는 현상을 관찰해 보자.

4. 페트병에 물 대신 식용유를 넣어서 회전시켜보자.

5. 아크릴로 직육면체를 만들어 식용유를 넣고도 회전시켜 보자.

★ 페트병에 들어 있는 액체의 경우 페트병의 가장자리 부분은 물기둥이 높이 올라가고, 원의 중심에 가까운 것은 거의 변화를 보이지 않는다. 전체적인 모습은 물이 회전하면서 U자 형태의 회오리 모양이 나타난다.

  (6) 종이컵 쥐물놀이

필요한 것은

종이컵, 튼튼한 실, 물

어떻게 할까요

1. 종이컵의 양쪽에 구멍을 뚫어 튼튼한 실을 매단다.

2. 종이컵에 물을 반쯤 넣고, 실을 돌려 종이컵을 회전시켜 보자.

★ 종이컵에 매단 실을 회전시키면 종이컵 속의 물은 밑으로 떨어지지 않고 계속 회전할 수 있다. 원심력과 관계지어 생각해 보자.

  (7) 스티로폼 접시 위 구슬의 여행

필요한 것은

스티로폼 접시, 마분지, 구슬, 전축의 턴 테이블

    [스티로폼 접시를 활용하는 방법]

어떻게 할까요

1. 스티로폼 접시의 원의 중심에서 45° 정도의 부채꼴 모양으로 자른다.

2. 잘라낸 스티로폼 접시를 셀로판 테이프로 바닥에 고정시킨다.

3. 마분지를 접어 스티로폼 접시의 가장자리에 갖다댄다.

4. 구슬을 마분지로 접은 골에서 굴려 스티로폼 접시의 원을 타고 돌게 한다.

5. 접시의 가장자리를 타고 돌던 구슬이 스티로폼 원이 잘려나간 부분에서는 어떻게 운동을 하는지 관찰하자.

  [턴 테이블을 활용하는 방법]

1. 마분지를 폭 3cm 정도로 잘라 턴 테이블의 가장자리에 울타리를 치듯 둘러 붙인다(단, 턴 테이블 둘레의 1/10정도는 울타리를 치지 않고 남긴다. 턴 테이블위에서 원 운동을 하던 구슬이 빠져나올 수 있을 정도의 크기로만 하면 된다).

2. 1/10 정도 남은 부분에 하드 보드지를 붙여 턴 테이블의 면에 맞추어 수평으로 붙인다(원운동을 하던 구슬이 이 지점에서는 어떤 운동을 하는지를 관찰하기 위함이다).

3. 턴 테이블의 마분지 울타리를 치지 않은 쪽을 또다른 마분지 조각으로 막고 턴 테이블 위에 구슬을 올려놓고 몇 바퀴 회전시킨다.

4. 구슬이 회전하는 중에 마분지 조각을 벗겨내 구슬의 움직임을 관찰해 보자.

5. 턴 테이블의 가장자리를 따라 원 운동을 하던 구슬이 마분지 울타리를 벗겨낸 지점에서는 어떤 운동을 할까?

★ 잠깐 생각해 볼까요?

구슬은 원심력에 의하여 스티로폼 원을 타고 회전하다가 스티로폼 원이 잘려나간 부분에서는 원의 중심에서 직각 방향인 접선 방향으로 운동을 한다. 즉, 마분지에서 직선 운동을 하던 구슬은 원을 따라 회전 운동을 하고 원이 잘려져 나간 부분에서는 다시 직선 운동을 한다.

실에 매달려 회전하는 종이컵은 스티로폼 접시의 원을 따라 회전하는 구슬에 비교하며, 일정한 위치에서 실이 끊어져 날아가는 종이컵의 방향은 스티로폼 접시의 끊어진 부분에서 운동하는 구슬의 방향과 비교하면 된다.

   (8) 피노키오의 코

필요한 것은

전동기 회로도, 스프링, 쇠구슬, 시험관, 하드 보드지, 가위, 접착제나 글루건, 페트병, 절연 테이프 등

어떻게 할까요

  [ 회전 받침틀 만들기 ]

1. 페트병에 모래를 2/3 정도 넣는다.

2. 전동기와 건전지를 전선으로 연결하여 페트병의 주둥이에 꼭 맞게끔 절연 테이프를 감아 페트병의 주둥이에 꼭 끼워 넣는다(먼저 페트병의 몸체에 구멍을 뚫어 전선을 넣어서 전동기와 건전지를 연결하고 건전지와 스위치는 페트병의 외부에 두어야 함).

3. 길이 30∼40cm의 막대기 중앙에 프로펠러를 고정시킨다(이때 프로펠러는 막대와 전동기의 회전축을 연결하여 부드럽게 회전할 수 있어야 함).

  [ 피노키오 코 만들기 ]
 

1. 회전 받침틀의 나무 막대 끝에 피노키오의 인형을 만들어 고정시킨다.

2. 스프링에 구슬이나 고무 찰흙을 매달아 피노키오의 코끝에 붙인다(피노키오는 작은 인형의 얼굴을 이용하든지 지점토로 만들고 붙인 스프링과 구슬이 단단히 고정되도록 하여 회전하면서도 떨어지지 않아야 한다).

3. 회전 받침틀의 또다른 한쪽 끝에도 똑 같은 형태의 피노키오를 만들어 붙인다.

4. 스위치를 닫아 회전 받침틀을 움직이며 피노키오의 코를 관찰하여 보자.

★ 회전하는 피노키오의 코에 매달린 구슬이 바깥쪽으로 당겨지면서 스프링이 늘어나 피노키오의 코가 늘어난다. 원운동을 하는 물체는 원의 중심으로부터 멀어지려는 힘을 가진다는 사실을 놀이로 통해 알 수 있다.

생각해 볼까요?

공을 긴 줄에 묶고 원을 그리면서 돌리면, 공이 줄을 끌어당기는 힘을 느낄 수 있습니다. 빠른 속력으로 달리는 자동차 안에서 급커브를 돌 때, 몸이 의자 밖으로 밀려 나가는 느낌을 받게 됩니다.

이런 경험에서 우리는 원운동을 하는 물체에는 어떤 힘이 작용하고 있음을 어렴풋이나마 알 수 있습니다.

물체가 원운동을 하기 위해서는 그 물체에 원의 중심으로 향하는 힘이 작용해야 하는데 이러한 힘을 '구심력' 이라고 합니다.

물체가 원운동을 하는 동안 구심력과 힘의 크기가 같고, 힘의 방향이 반대인 힘이 물체에 작용하는데 이것을 '원심력' 이라고 합니다.

즉, 원운동을 하는 물체는 원의 접선 방향에서 직각으로 멀어지려는 힘을 원심력이라고 합니다.

위의 실험 장치들은 원심력에 의해 생기는 여러 가지 현상들을 놀이 장치로 꾸며, 여러분들이 스스로 즐기면서 원리를 깨달아 실생활에 응용할 수 있는 창의력을 향상시킬 수 있는 좋은 소재가 아닐까하는 생각이 듭니다.

 * 번쩍 아이디어 잠깐!

위의 여섯 가지 놀이를 한꺼번에 장치할 수 있는 '원심력 놀이 동산'을 꾸며 보세요.

넓은 아크릴 판에 어떤 방법으로 각각의 놀이 기구를 배치하면 좋을까요?

한 가지의 전동기 회로도를 가지고 놀이 기구들을 뺐다 끼웠다 하는 방법으로 사용한다면 어떤 놀이 기구들을 한꺼번에 묶어야 할까요?

각각의 놀이 기구들이 독립되게 작동하게 하려면 전선과 스위치는 어떻게 배선을 하여야 할까요?

또 다른 방법으로 여러 가지 놀이 기구들을 한 개의 스위치로 한꺼번에 작동하게 하려면 어떠한 방법으로 설계하여야 할까요?

회전하면서 움직이는 놀이 동산의 기구들을 눈여겨 관찰하여 모델화시킬 수 있는 방법을 연구합시다