자석팽이 (리뷰 )

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https://blog.naver.com/happylab13515/223773569508

자이로스코프(Gyroscope)

 

 

오랜만에 과학키트 판매 사이트 둘러보며 익숙한 자석팽이, 풍선헬리콥터, 자외선 야광DNA팔찌, 자이로스코프 그리고 보이는 과학에 활용 가능할거 같은 창작용 꼬꼬 오뚝이, 스포이드헬리콥터만들기를 주문했고 드디어 왔습니다.

 

https://www.korearocket.co.kr/product/detail.html?product_no=97&cate_no=177&display_group=1

자석팽이 만들기(10인 세트)

과학키트 리뷰의 시작은 자석팽이입니다. 자석팽이 키트는 한진과학에서 구매했습니다.

 

자석팽이는 자석과 무거운 원판을 가지고 있는 팽이입니다. 그리고 자석과 접촉하는 팽이의 회전축은 자화가 가능한 철로 만들어진 리벳을 사용합니다. 팽이를 회전시키고 회전축의 아랫부분에 다양한 모양의 철사를 넣어 주면 철사가 자화된 회전축을 따라 움직이는 현상을 관찰하는 콘텐츠입니다.

판매사에서 제안하는 과학적 원리는 철에 자석을 접촉시키면 철에 자력을 생기고 이런 현상을 자화라고 한다는 내용입니다. 자석은 눈에 보이지는 않지만 자기장을 형성하고 있고 자석에 붙는 물질이 자기장 안에 있으면 자기를 띠는 현상을 자화하고 합니다.

자화에 대한 현상 관찰을 단순하게 자석의 자기장 내에 있는 철에 철가루나 다른 철을 붙여 보며 관찰하는 일반적인 자화 실험보다는 재미있고 참가자가 집중해서 현상을 관찰할 수 있는 실험입니다.

 

 

10인용 키트로 설명서, 아크릴원판, 가운데 구멍이 있는 원형자석, 고무패킹, 리벳, 고무링, 클립, 실리콘관, 원형으로 떼서 사용할 수 있는 양면테이프, 클립으로 구성되어 있습니다.

 

 

우선 제품에 포함된 가이드대로 만들어 봅니다. 아크릴 원판의 보호필름은 클립의 움직임 관찰을 용이하게 하기 위하여 앞면과 뒷면 모두 제거해 주고 스티커를 붙여 줍니다.

 

 

고무패킹에 리벳을 끼워 고정합니다.

 

 

리벳에 끼워넣은 고무패킹에 양면테이프를 붙여주고 원판을 고정시킵니다. 원형자석에 양면테이프를 붙이고 원판에 고정시킵니다.

 

고무링을 리벳에 끼워주고 실리콘관을 뾰족한 부분이 충분하게 감싸줄 수 있는 만큼 잘라 끼워 넣어 줍니다. 고무링과 실리콘관을 끝까지 밀어 넣어 자석과 원판을 고정시켜 주고 리벳과 원판이 수직이 되게 맞추어 줍니다.

 

 

 

 

<보이는 과학>

: 회전하는 물체가 자세를 유지하려는 성질

 

팽이를 돌려보니 팽이의 회전과 자세가 불안정합니다. 회전축으로 사용되는 세로축의 리벳과 가로축의 원판이 완벽한 수직이 아니거나 회전속도가 너무 빠르게 느려지는 게 이유입니다.

 

지름이 크고 무거운 아크릴 원판을 가지고 있는 자석팽이의 회전운동이 안정적이기 위해서는 회전축과 아크릴 원판의 가로축이 완벽하게 수직이 되어야 하고 팽이를 돌리는 기술도 중요한 요소로 작용합니다. 팽이의 회전속도가 너무 빠르게 느려지는 현상은 아크릴 원판을 좀더 크고 무거운 것으로 사용하면 해결이 가능합니다. 이전의 자석팽이는 원판이 지금보다 좀더 크고 무거웠던 것으로 기억하는데 아쉬운 부분입니다.

 

자석팽이를 만드는 것과 돌리는 것은 기술의 문제로 체험과학 참가자들에게 요구하는 것은 무리가 있습니다. 또한 키트로 판매되는 자석팽이의 원판을 좀 더 크고 무거운 것으로 교체하는 것은 노력과 비용이 많이 소모됩니다.

 

또 다른 해결 방법은 팽이의 무게중심을 조금이라도 아래쪽에 위치하게 팽이를 만드는 방법이 있습니다.

 

팽이를 분해합니다. 고무패킹을 리벳의 머리부분에 끼워 줍니다. 반대쪽에 양면테이프를 붙인 자석을 끼워줍니다.

 

자석위에 원판을 고정시키고 고무링과 실리콘관을 끝까지 끼워 고정시켜 줍니다. 이렇게 제작하면 팽이의 무게 중심을 이전보다 아래쪽에 위치시킬 수 있고, 무게중심이 아래쪽에 있는 팽이는 안정적인 회전을 하며 회전속도가 느려져도 자세를 유지하면서 계속 회전하게 됩니다.

 

 

팽이가 이전보다는 오래 돌고 회전도 안정되었습니다. 팽이를 계속 돌리다 보면 고무링과 실리콘 튜브가 위쪽으로 올라와 원판과 자석이 고정되지 않고 느슨해질 수 있습니다. 확인하고 원판과 자석이 밀착되지 않고 느슨해졌으면 고무링과 실리콘링을 다시 밀어넣어 원판과 자석을 고정시켜 주어야 합니다.

 

이제 운동을 관찰할 클립을 준비합니다. 클립을 필 때 펴진 클립의 모든 부분은 바닥에 닿아 있어야 합니다. 클립에 바닥과 떨어진 부분이 있으면 수직축의 방향으로 운동방향이 변하면서 평형이 깨져 클립이 자석에 붙거나 팅겨 나가는 현상이 발생합니다.

 

 

 

 

 

자화된 리벳의 바닥 부분에 클립이 달라붙어 떨어지지 않고 펴진 클립의 모양에 따라 다양한 왕복운동을 하는 것을 관찰할 수 있습니다.

 

“그런데 팽이에 왜 원판을 사용하는 겁니까? 원판을 안 쓰면 팽이 만들기가 쉬운데” 실험을 하던 한 아이가 질문합니다.

 

원판이 제거된 팽이를 준비합니다.

 

 

 

 

 

원판이 있는 팽이와 원판이 없는 팽이를 돌려보고 관찰합니다. 회전속도에 차이가 있습니다. 원판이 있는 팽이는 빠른 속도로 회전하고 회전 속도가 느려지면 넘어지면서 회전운동을 멈춥니다. 그러나 원판이 있는 팽이는 회전속도가 느려져도 자세를 유지하며 회전합니다.

 

회전운동을 유지하려는 각운동량의 크기는 회전체의 질량과 반지름 그리고 회전속도에 의해 결정됩니다. 질량 또는 반지름이 크거나 회전속도가 빠르면 각운동량은 커집니다.

다시 말해서 지름이 크고 무거운 원판을 팽이에 넣어 주면 회전속도가 느려져도 자세를 유지하며 회전운동을 지속할 수 있다는 뜻입니다.

 

 

 

 

 

원판이 있는 팽이에서는 클립이 안정적으로 왕복운동을 하지만 원판이 없는 팽이에서는 회전속도가 너무 커서 클립의 이동 속도가 너무 커지고 관성에 의해 클립이 튕겨 나가는 현상을 관찰할 수 있는 이유입니다.

 

자석팽이는 회전체의 질량 또는 반지름, 회전속도와 회전하는 물체가 자세를 유지하려는 성질(각운동량의 보존법칙)과의 관계를 보여주는 콘텐츠이기도 합니다.

 

 

회전하는 물체가 자세를 유지하려는 성질 by 구본석, happylab13515 is licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International