주위에서 쉽게 볼 수 있는 재료를 이용해 재미있는 과학 놀이를 해보고, 그 속에 숨겨진 과학의 원리도 알아봅시다. [종이 트러스아치 다리] 다리는 우리의 생활에서 가장 많이 이용되는 토목 건축물의 하나이다. 우리들이 어디에 갈 때 장애물이 있으면 간단히 넘을 수 있다. 다리는 강이나 호수, 해협의 물뿐 아니라 도로, 철도, 거리 등 여러 곳의 위를 넘는다. 그리고 그와 동시에 서로 떨어져 있던 것들을 이어 준다. 그런 다리를 보면 ‘어떻게 지탱하고 있는 걸까?’ ‘얼마나 건널까?’ ‘그리고 무너지지 않을까?’ 하는 것들이 항상 궁금해진다. 그러면 우리는 종아 한 장으로 특별한 다리를 만들어 보고, 누구보다 튼튼한 다리를 만들어 보자. ♠ 무엇이 필요할까요? 두꺼운 종이(24cm×36cm) 3장, 연필2개, 실 약간, 나무젓가락2개, 접착제, 자 30cm ♠ 어떻게 할까요? (1) 두꺼운 종이를 그림처럼 접는다. (2) 종이의 가장자리 적당한 위치에 나무젓가락을 접착제로 붙인다. (3) 접은 종이를 나무젓가락 사이에 세운다. (4) 연필을 실로 연결하여 접은 종이 위에 놓고 책받침대를 만든다. (5) 받침대를 종이 위에 올려놓는다. (6) 무게를 조금씩 더하여 지탱할 수 있는 최대의 무게를 측정한다. ♠ 왜 그럴까요? 달걀을 두 손바닥 사이에 넣고 양쪽 끝을 압박하면서 깨뜨리려고 해 본 경험이 여러분들에게도 있을 것이다. 아마 그렇게 쉬운 일은 아니다. 달걀껍질이 얇은데도 이러한 견고성을 가지고 있는 비결은 그 모양이 볼록한 원형, 타원형이라는 데 있다. 이것은 온갖 종류의 둥근 천장 또는 아치형 대문에 있어서도 마찬가지다. 경주에 있는 석굴암을 본 여러분들도 알겠지만 일찍이 우리 나라 신라에서도 이러한 역학적 원리를 건축에서, 또는 기타의 작업에서 많이 그리고 훌륭하게 응용하고 있다. ♤아치에서 힘이 어느 방향으로 어떻게 작용하는지 살펴보자. 중앙부에 있는 쐐기 모양의 돌 M을 압박하고 있는 힘, 즉 M보다 위에 있는 부분들이 돌들이 압박하고 있는 힘 S는 그림에 있는 A방향으로 작용한다. 그런데 M은 쐐기모양을 하고 있기 때문에 힘 A에 의하여 아래로 내려갈 수는 없다. 따라서 그것이 받는 힘은 그것과 인접한 양쪽 돌들에 전달된다. 즉 옆에 있는 돌들을 누른다. 이때에 힘 A는 평행사변형의 규칙에 의하여 힘 B와 힘 C로 분해되어 힘 B와 힘 C들은 이번에는 그 인접한 돌들끼리 압박하는 옆돌에서 저항과 비긴다. 이리하여 밖으로부터, 즉 위에부터 작용하는 힘으로써 그 아치를 부수어 버리는 것은 대단한 힘을 요구하게 되며 그 대신 안으로부터는 비교적 쉽게 깨뜨릴 수가 있다. 이것은 물론 알 만한 일이다. 쐐기들이 힘이 내려 가는 것을 방해하나 올리는 힘에 대하여는 조금도 장해를 주지 않기 때문이다. ♤달걀껍데기도 아치와 마찬가지인데 다만 그것은 개개의 부분으로 구성된 것 아니라 전체가 연속되어 있을 따름이다. 따라서 위에서 말한 역학적 원리에 의하여 비록 껍데기가 연약한 물질로 되어 있지만 그것을 밖으로부터 누를 때에는 그리 쉽게 깨뜨려지지 않는 것이다. 트러스아치 다리도 마찬가지다. 약한 종이로 되어 있지만 아치형으로 만들어져 있기 때문에 힘을 분배하여 큰 무게를 견딜 수 있게 되는 것이다. ♤그리고 또 하나 트러스 구조이다. 아치는 힘을 분배해 주지만 종이는 굽어지기 때문에 힘을 버틸 수가 없다. 예를 들면, 복잡한 전차나 버스 안에서 다음과 같은 체험을 한 일이 있을 것이다. 차내에 서 있는 사람은 급 발차시에 손잡이 하나를 쥐고 자신의 몸을 지탱한다. 아래로 늘어뜨려진 가죽손잡이는 불안정하기 때문에 급발차, 급정차 때마다 가죽손잡이를 앞쪽이나 뒤쪽으로 기울여 몸의 이동을 막게 된다. 그러나 곁의 가죽손잡이 두 개를 한쪽 손에 다 쥐고 체중을 손잡이에 실으면 급발차, 급정차 시에도 손잡이가 앞뒤로 움직이는 일없이 몸을 지탱할 수 있다. 즉 고정점에 연결된 두 개의 가죽손잡이 교점에서는 앞뒤의 움직임이 구속되고 있다. 봉을 세 개 연결하여 만든 삼각형은 매우 안정한 구조다. 이 삼각형의 면 안에서 봉과 봉의 접합점에 힘이 작용할 때 각 봉에는 당기는 힘 또는 누르는 힘(이를 모두 합하여 출력이라고 한다.)이 생긴다. 이런 구조를 트러스교라고 한다. 두 개의 가죽손잡이를 연결한 승객은 무의식중에서도 트러스의 성질을 체험하고 있는 것이다. 그 사이의 축은 봉의 단면내의 똑같은 내력을 생기게 하기 때문에 봉의 저항능력은 가장 효과적이다. 종이로 만든 다리의 접은 부분이 봉의 역할을 하여 안정적인 구조를 갖게 되고 굽어지거나 한쪽으로 기울어지지 않게 한다. [내가 만든 정수기] ♠ 무엇이 필요할까요? 1.5L 페트병(콜라 등 음료수병)1, 삼발이 혹은 링 받침대1, 자갈(지름이 약 1cm정도 이내), 모래, 활성탄(숯가루), 거즈, 고무밴드, 칼, 유리컵, 흙탕물 ♠ 어떻게 할까요? (1) 모래와 자갈을 깨끗이 씻어 둔다. (2) 페트병의 밑부분을 칼로 잘라 낸다. (3) 병의 입구에 가제를 대고 고무밴드로 묶는다. (4) 자른 페트병에 오른쪽 그림과 같이 자갈, 씻은 모래, 활성탄, 씻은 모래를 차례로 넣어 정수기를 만든다. (5) 삼발이 혹은 링 받침대에 정수기를 설치한다. (6) 유리컵을 아래에 놓고 정수기에 흙탕물을 부어 보자. ♠ 어떻게 될까요? 정수기를 걸러져 나온 물은 어느 정도 깨끗해진다. 모래와 숯가루, 자갈층을 통과하면서 물 속의 불순물이 걸러진다. 하지만 층이 얇기 때문에 아주 깨끗한 물이 나오지 않는 경우도 있다. ♤ 유의사항 (1) 모래, 자갈은 잘 씻어야 된다. 잘 씻지 않은 모래와 자갈을 사용하면 불순물이 섞여 나오는 경우가 있다. (2) 페트병의 상표를 떼어 내면 정수되는 과정을 지켜볼 수 있다. (3) 거즈는 세 겹 정도로 하는 것이 좋다. 한 겹으로 하면 찢어지는 경우가 있다. [돌아온 헬리혜성] ♠ 무엇이 필요할까요? 가위, 풀, 도화지 ♠ 어떻게 할까요? (1) 다음 그림을 확대 복사하여 도화지에 풀로 붙인다. (2) 가위로 오려 내어 12개의 카드를 만든다. (3) 카드를 번호 순서대로 정리하여 1번 카드가 맨 앞으로, 12번 카드가 맨 뒤로 가도록 한다. (4) 왼손으로 카드의 왼쪽으로 잡고 오른손으로 카드의 오른쪽으로 잡는다. (5) 카드를 눈 쪽으로 볼록하게 구부린 다음, 오른손 엄지손가락을 이용하여 한 장씩 빠르게 넘어가도록 한다. (카드가 한 장씩 넘어가도록 해야 혜성의 움직이는 모습이 자연스럽다.) ♠ 어떻게 될까요? ① 종이 위에 점으로 나타낸 혜성이 왜 움직이는 것처럼 보일까? ② 지구를 비롯한 다른 행성의 운동과 헬리 혜성의 운동은 어떻게 다를까? ③ 헬리 혜성은 태양에 접근함에 따라 꼬리가 생기는데, 꼬리의 길이와 태양과 헬리 혜성 사이의 거리는 어떤 관계가 있는가? ④ 헬리 혜성의 꼬리 방향과 태양을 어떤 관계에 있는가? ♠ 왜 그럴까요? 종이 위의 점들이 움직이는 것처럼 보이는 것은 잔상이라는 현상 때문이다. 우리가 물체를 보면 뇌에 그 물체의 모습이 그려지는데, 물체가 사라지거나 눈을 감아 볼 수 없게 되어도 잠시 동안 뇌에 물체의 모습이 남아있는 것을 말한다. 영화나 TV는 잔상을 이용한 것이다. 한 장면을 보여준 다음 그 모습이 뇌에서 사라지기 전에 다음 장면을 보여주면 움직이는 것처럼 느끼게 된다. 영화는 1초에 24개의 정지된 장면을 보여주고, TV는 30개의 정지된 장면(30프레임, 60필드)을 보여주는 것이다. ♤ 혜성이란? 혜성은 태양계에 속한 작은 천체로 타원 궤도를 가졌으며 우리말로는 살별이라고 한다. 지구나 다른 보통 행성은 거의 원에 가까운 타원 궤도를 돌고 있지만 혜성은 궤도가 태양계 밖으로까지 운동하기도 한다. 혜성이 태양에 가까워질수록 꼬리가 길어지고 멀어질수록 작아진다. 또한 혜성의 꼬리는 태양의 반대쪽을 향하게 된다. [무지개 왕달걀 만들기] ♠ 무엇이 필요할까요? 날 달걀 여러 개, 식초, 유리컵, 비닐랩, 물감이나 색소 ♠ 어떻게 할까요? (1) 조금 큰 컵에 달걀을 넣고 달걀이 완전히 잠기도록 식초를 붓는다. (2) 컵의 윗부분을 비닐랩으로 막아 준다. (3) 5～6시간 정도 지난 후 비닐랩을 벗기고 달걀을 꺼낸다. (4) 꺼낸 달걀을 물이 들어 있는 컵에 넣고 5～6시간 둔다. 이 때 물에는 색소를 넣는다. (5) 5～6시간 뒤에 달걀을 꺼내 날달걀일 때와 식초에서 꺼냈을 때의 둘레를 비교해 보고 다시 깨끗한 물에 넣어 장식용으로 사용한다. (6) 위와 같은 방법으로 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색의 무지개 왕달걀을 만들어 본다. ♠ 왜 그럴까요? 달걀 껍질은 산(식초)에 의해서 녹으며, 이 때의 달걀은 어느 정도 커져 있다. 이것을 물에 넣으면 조금 더 커진 것을 알 수 있다. 달걀이 커지는 것은 달걀의 바깥쪽 물이 반투명한 막은 통하여 안으로 들어가게 된다. 이때 색소도 같이 들어가 예쁜 색깔의 달걀이 되며, 이런 현상을 삼투라고 한다. 반투막은 특별한 곳에만 있는 것이 아니고 대부분의 생체막들은 모두가 반투막이다. 우리의 피부도 반투막이다. 우리가 섭취한 음식물의 영양분이 어떻게 체내의 장벽을 뚫고 들어가 혈액을 타고 운반되어 궁극에는 속에 밀폐된 몇 백만이라는 세포 하나하나의 내부에 전달될 것인가 하는 의문도 이런 삼투 현상에서 해답을 찾을 수 있다. 우리가 섭취한 영양분이나 물은 몸 세포 속으로 들어가고 노폐물은 배설될 수 있으나 필요한 원형질은 빠져나갈 수 없게 한다. ♤ 유의 사항 (1) 식초 대신 빙초산을 사용하면 더 빨리 진행될 수 있으나, 피부에 닿지 않게 조심해야 하고, 보통의 식초는 5～6시간에서 하루 정도 시간이 걸릴 수도 있다. (2) 비닐랩을 씌운 것은 시간이 단축되고, 껍질 전체가 잘 벗겨지도록 하기 위해서이다. ♤ 삼투 현상이란? 반투막을 사이에 두고 농도가 진한 용액과 농도가 옅은 용액을 넣어두면 물이 반투막을 통과하여 농도가 진한 쪽으로 이동하므로 농도가 묽은 쪽의 액면은 내려가고, 진한 쪽의 액면은 올라가 농도가 묽어지게 되는데 이런 현상을 삼투라 하고, 이 때의 압력을 삼투압이라 한다. 1877년 독일의 식물학자 Wilhelm Pfeffer는 식물에 자극을 주면 시드는 현상은 세포 안의 삼투압과 관계가 있다고 하고, 삼투압은 온도가 일정할 때 묽은 용액의 삼투압은 그의 농도에 비례한다는 것을 발견하였다. 식으로 나타내면 삼투압을 P, 농도를 C라고 하면 (정수)로 나타낼 수 있다. 출처 : http://www.nabada.pe.kr 과학자료실