실험으로 함께하는  로 켓 놀 이

                                                         강성기 지음 / 도서출판 바른사

제1장   물 로켓

(1) 낙하산과 꽃가루를 펼치는 물로켓

     
 

 

 

(1) 추진력이 강한 가장 한국적인 물로켓

물로켓의 매력은 뭐니뭐니 해도 먼 거리를 비행하여 낙하산으로 안전하게 회수되어 재사용할 수 있어야 합니다. 우리 나라에서 연구·개발된 로켓의 모델은 페트병에 별도의 노즐을 끼우지 않고 페트병 자체의 직경을 노즐로 사용하기 때문에 더욱 간편하고 추진력이 강하고 비행 안정성이 있으며, 안전하게 회수될 수 있는 점에서 모형 로켓의 완성을 이루게 된 것이라고 할 수 있습니다.

이제는 외국에서 사용하는 방법을 무작정 모방하지 않고 우리 실정에 맞게 연구하고 개발하여야만 우리의 발전을 보장할 수 있습니다.

더욱이 미래를 짊어질 자존심 강한 청소년들의 교육 현장에서는 더욱 안될 말입니다. 우리가 연구하고 개발하고 다듬은 모델 로켓이 실제의 로켓을 만들어내 우주 시대를 향한 밑거름이 되어야만 합니다.

지금 소개하는 물로켓은, 우리의 자존심을 한껏 자랑할 수 있는 모델로서, 기지가 번뜩이는 청소년 여러분들의 호기심을 만족시켜 줄 수 있는 충분한 계기가 될 것입니다.

(2) 물로켓의 원리

물로켓은 신축성 있는 페트병에 물을 넣고 공기를 압축시켜, 압축된 물과 공기가 한꺼번에 뒤로 분출되는 작용과 이에 대한 반작용의 힘에 의해 비행합니다.

이때 압축된 물과 공기가 순간적으로 뿜어내는 물과 공기의 양이 많을수록 더욱 큰 추진력을 얻을 수 있습니다. 다음과 같이 구체적인 놀이를 통하여 원리를 알아봅시다.

[놀이1. 풍선으로 알아보는 물로켓의 원리]

필요한 것은?

풍선

어떻게 할까요?

① 풍선을 입에 물고 바람을 넣어 부풀려 보자.

② 공기가 가득찬 풍선의 주둥이를 놓아 보자.


[놀이2. 페트병으로 알아보는 물로켓의 원리]

필요한 것은?

고무마개, 금속관, 발펌프, 페트병

어떻게 할까요?

① 고무마개에 금속관을 끼우고 페트병을 끼운다.

② 금속관에 발펌프를 연결하여 공기를 넣어 보자.

③ 이번에는 페트병에 물을 1/3 정도 넣고 발펌프를 이용하여 공기를 넣어 보자.


[놀이3. 노즐의 크기로 알아보는 한국식 물로켓의 원리]

필요한 것은?

세탁기 연결 조인트, 발펌프, 페트병

어떻게 할까요?

① 페트병에 세탁기 연결 조인트를 끼워서 물과 공기를 압축하여 발사하여 보자.

② 페트병에 세탁기 연결 조인트를 빼고 물과 공기를 압축하여 발사하여 보자.


(3) 낙하산 및 꽃가루를 펼치는 물로켓

우리 나라에서 저자가 새로이 개발한 물로켓은 수직으로 발사되어 100∼150m 상공에서 낙하산과 꽃가루를 펼치며 안전하게 착륙합니다. 지금부터 직접 로켓을 제작하면서 이러한 원리들을 연구해 보도록 합시다.

물로켓 경연은 단순히 멀리만 비행하는 것도 중요하지만 로켓의 비행 안전성과 낙하산을 이용한 부드러운 착륙 유도로 묘기를 연출하면서도 높이 비행할 수 있는 로켓의 개발에 중점을 두고 연구해 주시기 바랍니다.

다음의 1연식 로켓 제작 방법은 하나의 예에 불과한 것입니다. 다음의 방법을 응용하여 여러분의 보다 창의력 있는 연구로 새로운 로켓을 개발해 나만의 독창적인 로켓이 발사되도록 해봅시다.

이제 여러분들만의 넓고 푸른 창공이 기다리고 있습니다. 여러분들의 이상의 날개가 힘차게 비상하는 호쾌하고 멋진 로켓의 경연장으로 안내합니다.

가. 낙하산을 펼치는 1연식 물로켓이란?

낙하산을 펼치는 원리는 무엇이며, 1연식 물로켓이란 어떤 것인지 알아보자.

 

★ 낙하산을 펼치는 원리

필요한 것은?

종이컵, 종이, 가위, 고무찰흙

어떻게 할까요?

① 종이컵의 옆면을 가위로 오려낸다.

② 종이컵의 윗부분에 고무 찰흙을 한 개 정도 붙인다.

③ 종이로 둥글게 만 원기둥 위에 ①의 종이컵을 올려놓는다.

④ 원기둥을 살짝 옆으로 기울여 보자.


★ 1연식 물로켓이란 어떤 것인가?

페트병 1개에 물과 공기를 압축시키는 방식을 1연식 로켓이라 하며, 병을 2개(2연식), 3개(3연식) 연결하여 물과 공기를 압축시키는 방식을 다연식 로켓이라고 한다.

이 다연식 로켓은 다음 장에서 자세히 소개하겠지만 일반적으로 현재 우리가 사용하고 있는 거의 모든 물 로켓은 1연식이며 1개의 병에 여러 개의 병을 붙여 길이만 늘렸을 뿐이다.

 

나. 낙하산을 펼치는 1연식 물로켓 제작 방법

필요한 것은?

페트병 2개, 색지, O.H.P 필름 3장, 셀로판 테이프, 가위, 칼, 고무 찰흙

a. 낙하산 탑재부 만들기

실제의 로켓에 있어 위성을 싣는 제일 윗부분을 '탑재부'라고 하는데 물로켓의 탑재부는 낙하산을 넣는 부분을 말한다. 우리가 앞으로 만들 물로켓의 탑재부는 페트병의 밑동을 잘라내어 사용할 것이다.

어떻게 할까요?

① 페트병의 밑부분을 가위로 잘라내어 밑바닥에 송곳으로 2개의 구멍을 낸다.

② 80∼100cm의 실을 페트병의 밑바닥 2개의 구멍에 넣어 실을 묶어 낙하산 탑재 부분을 완성한다.

b. 로켓 몸체 만들기

물로켓은 페트병을 이용하여 만들기 때문에 외형상 크게 예쁘지가 않았지만, 지금 소개하는 로켓은 페트병으로 만든 로켓의 몸체를 색지로 둥글게 감싸서 예쁘게 장식한 로켓이다.

어떻게 할까요?

① O.H.P 필름 3장을 셀로판 테이프를 이용하여 연결한다.

② 페트병을 밑에, 낙하산 탑재부를 위에 오도록 하여 A1 크기의 색지를 둥글게 감는다.

③ 둥글게 감은 색지에 3장의 연결된 O.H.P 필름을 둥글게 덧붙여 감는다(색지에 O.H.P 필름을 덧붙여 감음으로써 로켓의 몸체를 예쁘고 견고하게 하기 위해서이다).

④ 셀로판 테이프를 이용해 페트병과 낙하산 탑재부가 감긴 부분을 로켓의 몸체에 단단히 붙여 고정시킨다.

c. 날개 만들기

발사된 로켓이 곧은 방향으로 안정되게 비행하기 위해서는 날개를 정확하게 잘 달아 주어야 한다. 날개를 잘못 만들어 붙인다면 오히려 로켓의 비행을 방해하는 결과를 가져오기도 하므로 크기와 모양을 신중하게 생각하여 로켓의 몸체와 일직선상으로 튼튼하게 붙여야 한다.

날개의 크기와 모양은 여러 가지가 있지만 여기서는 하나의 모델로서만 제시하고자 한다.

어떻게 할까요?

① 색지를 코팅하여 그림과 같이 그려 3개의 날개를 만든다.

② 잘라낸 날개를 좌우로 접어 가장자리를 색 테이프로 붙인다.

③ 로켓의 몸체에 접착될 날개의 가장자리 부분을 접어 셀로판 테이프로 붙인다.

④ 3개의 날개를 로켓의 본체에 120°로 나누어 붙인다.

d. 선단부 만들기(고깔)

선단부는 로켓의 윗부분으로서 로켓이 비행할 때 공기 저항을 줄이기 위하여 일반적으로 뾰족하게 만든다. 또, 선단부는 로켓의 탑재부에 얹혀져 최고정점에서 탑재부에서 쉽게 이탈될 수 있게 헐렁하게 만들어져야 한다.

만일의 경우를 생각해 선단부의 뾰족한 부분을 가위로 잘라내어 둥그스름하게 만들 수도 있다.

이때 선단부의 제일 윗부분에 60g 정도의 고무 찰흙을 넣어 로켓이 비행할 때 무게 중심의 역할 및 로켓 몸체에서 쉽게 분리 이탈될 수 있게 한다.

어떻게 할까요?

① 색지나 도화지에 반지름 10cm의 원을 그려서 가위로 잘라낸다.

② 책받침, 또는 두꺼운 종이에 반지름 4.8cm의 원을 그려서 가위로 잘라낸다.

③ ①에서 만든 원을 원의 중심까지 가위로 잘라 둥글게 포개어 말아서 고깔을 만든다(이때 만들어진 고깔의 밑면은 ②에서 만들어진 원의 크기와 같게 하여야 한다).

④ 고깔의 윗부분에 60g 정도의 고무 찰흙을 붙이고, 이 고무 찰흙이 밑으로 떨어지지 않도록 셀로판 테이프로 단단히 붙여 준다.

⑤ 고깔 안쪽에 송곳으로 2개의 구멍을 뚫어 앞서 제작한 로켓의 몸체의 낙하산 탑재부의 실과 연결한다(이때 낙하산 탑재부의 실과 고깔과의 길이는 80∼100cm 정도의 길이가 되도록 한다).

⑥ ③에서 만들어진 고깔의 밑면에 2에서 만들어진 원을 셀로판 테이프로 깨끗하게 붙인다.

⑦ 색지를 폭이 1.5cm∼2cm 정도 되게 잘라 고깔의 밑 가장자리 둘레에 붙인다(이때 고깔의 원 둘레는 페트병의 지름보다 커져 약간 헐렁하게 얹히게 됨).

e. 낙하산 만들기

로켓이 최고정점까지 비행하여 밑으로 떨어질 때 선단부가 로켓의 몸체에서 분리되면서 낙하산을 끌고 나와 안전하게 착륙할 수 있는 역할을 한다.

발사된 로켓이 곧바로 땅으로 떨어진다면 위험하기도 하겠거니와 다시 로켓을 사용하기가 어려울 것이다. 또한 빠르게 발사된 로켓이 낙하산을 타고 천천히 내려온다면 오랫동안 비행하는 느낌을 가질 수도 있을 것이며 안전하게 회수된 로켓은 얼마든지 다시 사용할 수 있을 것이다.

낙하산의 크기가 크면 더욱 천천히 내려오겠지만 발사된 장소에서 멀리 날아갈 수도 있기 때문에 적당한 크기로 만들어야 한다. 또, 바람이 심하게 불어서 멀리 날아갈 염려가 있을 때는 낙하산의 가운데 부분을 가위로 잘라내어 조금더 빠르게 착륙하게 할 수 있다.

어떻게 할까요?

① 얇은 비닐(포장용 비닐봉지나 쓰레기 봉지)에 지름 40cm 정도의 원을 그리고 정육각형을 그려 가위로 오려낸다.

② 육각형 비닐의 각 끝부분에 가로 1cm, 세로 2cm의 테이프를 붙이고 송곳으로 구멍을 뚫는다.

③ 40cm 정도의 실을 육각형 비닐의 끝부분에 각각 매달아 낙하산 실의 길이가 30cm가 되게 한꺼번에 매듭을 짓는다.

f. 낙하산 장착하기

어렵게 만든 로켓이 낙하산을 잘못 매달아 낙하산이 펼쳐지지 않으면 낭패가 아닐 수 없다.

앞부분에서도 잠시 언급하였지만 선단부가 낙하산 탑재부에서 이탈되면서 낙하산을 끌고 나오기 때문에 선단부의 제일 윗부분에 매달아야 한다.

어떻게 할까요?

① 낙하산 탑재부와 고깔에 이르는 실의 70cm 이상 부분에 낙하산을 묶어 매듭을 지어 움직이지 않게 연결한다.

② 낙하산을 바르게 접어 낙하산 탑재부에 넣고 선단부(고깔)를 덮어 씌워 로켓을 완성한다.

g. 발사대 장착 및 공기 주입과 발사

임의적인 잠금 장치로 로켓을 고정시키고 필요한 만큼의 공기를 압축시킨 다음 잠금 장치를 해제함으로써 로켓을 발사할 수 있는 장치를 말한다. 상세한 설명은 뒷부분에서 하고자 한다.

① 페트병에 1/3 정도의 물을 넣고 발사대에 장착한다.

② 발펌프로 공기를 주입하고 발사 손잡이를 눌러 발사한다.


다. 낙하산 없이 안전하게 착륙하는 방법

★ 로켓을 안전하게 낙하시킬 수 있는 방법

로켓이 발사되어 안정된 자세로 멀리 비행하기 위해서는 앞부분이 뾰족한 유선형 형태로 만들어져야 공기의 저항을 최대한 줄일 수 있어 멀리 비행할 수가 있다. 그러나 반대로 발사된 로켓이 공중에서 밑으로 떨어질 때는 공기의 저항을 최대한 많이 받을 수 있어야 천천히 안전하게 떨어지게 할 수가 있다.

또, 로켓의 앞부분에 무게추(고무찰흙)를 달아 주어야만 더욱 안정되고 멀리 비행할 수 있지만 이 무게추 때문에 로켓이 낙하할 때 위험한 상황이 발생할 수 있다. 그래서, 낙하산을 장착하여 공기 저항을 이용하여서 안전하게 착륙하게 한다.

그러나 낙하산을 매달지 않고도 다른 간단한 방법으로 로켓을 안전하게 떨어지게 할 방법을 연구하면서 다음과 같은 문제들을 생각해 보자.

첫째, 로켓이 무게추를 매달아야만 안정되고 곧게 비행할 수 있다고 했는데, 무게추를 달지 않고도 안정되고 곧게 비행하며 로켓 자체의 공기 저항을 이용하여 안전하게 낙하하는 방법은 없을까?

둘째, 로켓이 무게추를 매달면 안정되고 곧은 비행을 하지만 땅으로 떨어질 때가 위험하다고 했는데 낙하산이 없이도 안전하게 낙하할 수는 없을까?

셋째, 로켓이 안전하게 낙하할 수 있게 로켓 자체의 공기저항을 이용할 수 있는 방법은 무엇이며 누구나 쉽게 구해 사용할 수 있는가?

다음의 질문과 대답을 생각해 보면서 로켓의 몸체와 선단부의 분리에 의한 안전 낙하 방법을 생각해 보자.

로켓이 안정되고 곧게 비행하려면 어떻게 해야 하나요?

 

로켓의 안정된 비행을 위한 조건을 든다면 여러 가지가 있겠지만 가장 중요한 것은 무게 중심을 위쪽에 두어야만이 가장 안정되게 비행한다는 점입니다. 즉, 로켓의 앞부분에 60g 정도의 무게추를 붙여 주어야 합니다. 그렇기 때문에 로켓의 선단부가 먼저 떨어지면서 엄청난 위험을 초래하기도 합니다.

 

그 다음 조건으로는 날개의 안정을 꼽을 수 있는데 페트병이나 코팅지로만 된 날개는 흔들리기 때문에 무게추를 달지 않고서는 안정된 비행을 하지 못하고 얼마 날아가지 않을뿐더러 빙글빙글 멋대로 날아갑니다.

그러므로 날개가 좌우로 흔들리지 않는 단단한 재료를 이용해 만들어 로켓 몸체에 단단히 고정시키는 것이 중요합니다.

로켓이 발사되어 로켓의 앞부분이 먼저 땅에 떨어지는 이유는 무엇인가요?

로켓의 앞부분에 60g 정도의 고무 찰흙을 붙인 로켓의 무게 중심은 앞쪽에 있기 때문에 당연히 로켓의 앞부분이 먼저 낙하하게 됩니다. 즉, 로켓의 앞부분이 무겁기 때문에 먼저 떨어지는 것입니다.

무게추를 달지 않아 앞부분이 가벼운데도 앞부분이 먼저 떨어져 위험 상황을 주는 이유는 무엇일까요?

무게추를 달지 않았기 때문에 날개와 페트병의 무게 때문에 로켓의 무게 중심은 분명히 로켓의 뒷부분에 있습니다. 그러나, 로켓이 최정점에서 낙하하기 시작할 때를 생각해 봅시다. 로켓의 앞부분은 무겁지는 않지만 공기 저항을 받지 않고, 뒷부분은 날개 때문에 무겁지만 날개에 의해 생긴 공기 저항 때문에 앞부분이 먼저 땅에 떨어지게 되는 것입니다.

경우에 따라서 바람의 방향에 의해 서서히 수평으로 낙하하는 수도 있지만 이를 기대해서는 안될 것입니다.

무게추를 달지 않고도 안정되고 곧게 비행한다면 무겁지 않기 때문에 위험 요소를 많이 줄일 수 있을 텐데, 어떤 재료의 날개를 사용하며 로켓의 길이는 어느 정도가 적당할까요?

앞서 설명한 바와 마찬가지로 여러 가지가 있겠지만 날개가 흔들리지 않게 완전히 고정시키는 것이 가장 중요합니다. 페트병이나 코팅지를 접어 만든 날개는 흔들리기 때문에 무게추(60g의 고무 찰흙)가 없는 상태에서는 비행 중간에 공중에서 회전하여 멀리 날아가지 않습니다.

 

그렇기 때문에 페트병이나 코팅지를 접은 날개보다는 아크릴판이나 얇은 합판을 잘라 날개를 만들어 붙이되 좌우로 움직이지 않게 잘 고정시켜 주는 것이 로켓의 안정 비행을 보장합니다.

그렇지만 무게추를 매단 로켓보다 비행 거리가 다소 떨어지는 문제가 있습니다. 이때도 역시 로켓의 앞부분이 먼저 땅에 떨어지기 때문에 무게추를 매단 것보다는 충격이 약하겠지만 사람에게 떨어지면 위험할 수도 있습니다.

로켓의 길이는 여러 가지 요소에 따라 달라지지만 일반적으로 1m 내외 정도가 되어야 안정된 비행을 합니다.

낙하하는 로켓은 어떠한 방법으로 공기 저항을 받게 할 수 있나요?

로켓이 발사되어 최정점에서 낙하를 시작할 때 로켓의 윗부분에 얹혀진 선단부(고깔이나 스티로폼 그릇)를 벗겨지게 함으로써 다양한 방법으로 공기 저항을 유도하여 안전하게 착륙하게 할 수 있습니다.

무게추를 매단 로켓의 앞부분이 벗겨지는 원리는 무엇일까요?

발사된 로켓이 최고정점에 이르러 옆으로 기울어지면서 무게 중심이 무게추를 매단 로켓의 앞부분인 선단부 쪽으로 쏠리게 됩니다. 이때 상대적으로 무거운 선단부가 먼저 벗겨지면서 로켓 몸체에서 분리될 수 있는 것입니다.

낙하산을 장착한 경우에서도 마찬가지로 먼저 낙하를 시작한 선단부가 탑재부에 보관된 낙하산을 이끌어내어 펼치게 하는 것입니다.

 

무게추를 매달지 않은 로켓은 어떤 원리에 의해 분리될 수 있는 건가요?

 

선단부는 로켓의 윗부분에 얹혀져 발사되어 최고정점에 이르게 되는데 로켓의 앞부분인 선단부에 무게추가 없다 하더라도 과연 벗겨질 수 있을까요?

최고정점에 이른 로켓의 앞부분이 옆으로 기울어지면서 로켓의 밑부분에 있는 날개에 의한 공기 저항 때문에 잠시 수평을 유지합니다. 이때 로켓의 선단부가 먼저 떨어지면서 분리되게 할 수가 있는 것입니다.

무게추를 매단 선단부는 로켓 몸체에서 분리되어 낙하를 할 때, 어떤 방법으로 공기 저항을 유도할 수 있는 건가요?

선단부와 로켓 몸체를 실로 연결하면 무게가 있는 선단부라 해도 같이 균형을 이루면서 떨어지려고 하기 때문에 안전한 낙하를 유도할 수 있습니다.

①, ②, ③의 과정을 반복하기 때문에 천천히 내려올 수 있습니다. 특히 실을 선단부 안쪽이 아닌 바깥쪽의 윗부분에 매달 경우 무게추를 매단 무거운 선단부의 무게추의 방향이 이리저리 바뀌면서 생기는 공기 저항을 이용할 수 있습니다.

또, 선단부와 로켓의 하단 부분을 실로 연결할 경우 무거운 선단부가 먼저 낙하하면서 날개 부분을 끌고 내려오기 때문에 날개의 저항을 최대한 이용할 수 있습니다.

로켓이 흔들리지 않고 안정되게 발사되어 최고 정점에서 로켓 자체가 공기 저항을 받을 수 있게 안전하게 낙하한다면 누구나가 다 때와 장소를 가리지 않고 마음 놓고 로켓을 발사할 수 있을 것입니다.

즉 발사된 로켓의 앞부분이 밑으로 떨어질 때, 공기의 저항을 이용하여 로켓을 수평(옆)으로 낙하하게 할 수 있다면 안전하게 착륙할 수 있을 것입니다.

로켓을 높이, 멀리 발사하는 것도 중요하지만 안전하게 회수하는 방법 또한 그에 못지않게 중요합니다.

 

이상과 같이 로켓을 낙하산 없이도 안전하게 착륙시키는 방법을 설명하였습니다. 다음 장에서는 구체적으로 어떤 재료를 이용하여 어떠한 방법으로 제작하여 어떻게 활용을 해야할지 연구해 봅시다.