[창의공학설계]계란 낙하 실험 1부

실험 목적

계란낙하실험을 위해 구조물을 구상하는 과정에서 공학적인 사고와 기술을 익히며 팀 활동을 통해 주어진 문제를 해결한다. 정해진 재료로 구조물을 구상하고 지정된 곳에 빠른 시간에 정확히 착지하되 계란이 깨지지 않는 것이 계란낙하실험의 목표이다. 또한 물리 이론인 자유낙하와 에너지보존법칙에 대해 직접 알아 볼 수 있는 기회를 가지며 브레인스토밍을 사용해 새로운 창조적 활동에 대해 이해하고 능력을 기르며 팀워크를 향상시킨다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

계란 낙하 실험의 주어진 문제를 인식하고 그 문제를 해결하기 위해서 공학적인 사고와 기술을 이용해서 주어진 문제를 해결한다. 제한된 조건 하에 구조물을 설계하여, 지정된 목표 지점 중앙에 착지 하도록 하는 것이 목표이다. 이번 실험을 통해서 충격량 충격력에 대해서도 알 수 있으며 좀 더 공학적인 사고에 큰 도움이 될 수 있는 연구이다.

 

2. 실험규정 & 제한요소

1) 실험 규정

주어진 재료를 이용하여 계란을 깨지지 않고 낙하 시킬 수 있는 구조물을 창의적으로 고안하고 5층 높이에서 계란 구조물을 낙하시켜서 계란이 깨지지 않고 정확한 지점에 낙하하도록 한다.

2) 제한요소

① 재료 : 빨대 20개 이하, 나무젓가락, 고무줄, 풀, A4용지 1장 이하

② 계란과 구조물의 무게는 140g을 넘을 수 없다.

- 계란이 육안으로 1/3이상 보여야 함.

 

3. 일정

간트 차표를 바탕으로 한 일정

간트차표를 바탕으로 일정을 세웠다. 피곤한 상태에서는 창의적인 아이디어가 나올 수 없으며, 올바르게 정리하기도 힘들다. 그 이유로 아이디어 발산과 수렴의 효율성을 위해 브레인스토밍과 아이디어 정리를 겹치지 않게 일정을 잡았다. 또한 낙하 실험과 혹시 모를 실패에 대비한 오류수정 일정은 시간을 절약하기 위해 겹치게 일정을 잡는 방향으로 구성했다.

 

4. 브레인스토밍을 활용한 아이디어 도출

1) 아이디어 제시

브레인스토밍 시작 전 간단한 워밍업과 대화를 하며 분위기를 만들고 브레인스토밍의 4가지 규칙인 ‘자유자재로 사고’, ‘질보다는 양’, ‘타인의 아이디어에 편승’, ‘비판하지 않는다.’를 바탕으로 계란낙하실험 구조물 구성에 대한 아이디어를 제시했다.

브레인 스토밍

① 구조물 재료로 나무젓가락, 빨대, 고무줄, A4용지, 철사로 괜찮은가?

② 단단한 구조물을 만들기 위해서 어떤 구조물로 만들어야 할까?

③ 계란을 빨대로 감싸야 할까? 고무줄로 감싸야 할까?

④ A4 한 장으로 낙하산을 만들면 충돌속도를 줄일 수 있지 않을까?

⑤ 낙하산을 만들면 공기저항을 덜 받을 것인가? 더 받을 것인가?

⑥ 계란을 삶은 계란으로 하면 괜찮지 않을까?

 

2) 아이디어 정리

① 구조물 재료로 나무젓가락, 빨대, 고무줄, A4용지, 철사로 괜찮은가?

- 구조물 재료로 철사는 제한요소에 의해 걸린다.

- 빨대는 20개 이하로 제한요소에 걸린다.

- 나무젓가락은 쉽게 부러질 위험이 있다.

- A4용지는 한 장 밖에 사용하지 못한다. → 구조물 재료로 철사는 적당하지 못하며 빨대, 나무젓가락, A4용지, 고무줄을 적절히 이용한다.

 

② 단단한 구조물을 만들기 위해서 어떤 구조물로 만들어야 할까?

- 구 모양으로 구조물을 만들면 데굴데굴 굴러 착지에 문제점이 발생한다. → 구 모양은 착지에 문제가 생기니 정육면체, 정팔면체, 테프라구조 형식 중 하나를 선택 하여 구조물을 만든다.

 

③ 계란을 고무줄로 감싸야 할까? 계란으로 감싸야 할까?

- 빨대로 계란을 감싸면 계란이 1/3이상 보이지 않을 수 있다.

- 고무줄로 계란을 감싸면 계란이 튕겨나갈 수 있다.

→ 빨대와 고무줄 둘 다 시도해보기로 한다.

 

④ 계란을 삶은 계란으로 하면 괜찮지 않을까?

→ X

 

5. 계란낙하 실험 응용 원리

1) 자유낙하

지구 중심에 가까울수록 지구가 물체를 잡아당기는 만유인력이 커지므로, 중력은 엄밀히 말해 일정한 크기의 힘이라고 할 수 없다. 하지만 지구 표면 근처에서 물체가 낙하한다면 지구의 반지름에 비해 이동거리가 매우 짧으므로 중력의 크기 변화를 무시할 수 있다. 그러므로 나무에서 떨어지는 사과와 같은 물체는 일정한 크기의 중력을 받으며 지면을 향해 떨어진다. 공기저항을 무시하면 물체는 지면을 향해 등가속도 직선운동을 한다.

 

2) 역학적 에너지 전환

역학적 에너지는 물체의 속력에 따라 결정되는 운동에너지와 물체의 위치에 따라 결정되는 위치에너지의 합으로 이루어진다. 외부의 물리적 작용이 없을 때 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하게 유지된다. 구조물을 낙하 했을 시에 위치에너지가 최대 이고 ,운동에너지는 최소이다. 높이가 낮아질수록 속력은 증가하므로 위치에너지는 감소하고, 운동에너지는 증가한다. 

반대로, 1층에서 정보관 8층을 향해 구조물을 던졌을 시는 위치에너지가 최소이고, 운동에너지가 최대이다. 높이가 높아지면 속력이 감소하므로 위치에너지는 증가하고 , 운동에너지는 감소한다. 이렇게 위치에너지가 증가하면 운동에너지가 감소하고, 운동에너지가 증가하면 위치에너지가 감소하는 것을 역학적 에너지의 전환이라고 한다.

 

3) 역학적 에너지의 보존

역학적 에너지가 서로 전환될 때, 마찰이나 공기의 저항 등으로 손실되는 에너지가 없다면 감소하는 양과 증가하는 양은 항상 같다. 따라서 물체가 가지는 위치에너지와 운동에너지의 합인 역학적 에너지는 일정하게 유지되는데, 이를 역학적 에너지 보존법칙이라 한다.

계란 낙하 구조물의 예를 들어 보자. 지면에서 위치에너지는 0, 운동에너지는 T라고 하고, 최고 높이에서 위치에너지는 V, 운동에너지는 0이라고 하자. 이때 역학적 에너지 보존에 의해 T와 V는 같다. 즉, 지면에서 운동에너지의 형태이던 역학적 에너지가 높이가 높아지면서 점점 위치에너지로 형태를 바꾸어 최고 높이에서는 모두 위치에너지가 된 것이다.

만약 구조물에 공기저항이 발생한다면 역학적 에너지의 일부가 운동에너지에서 위치에너지로 바뀌다가 다시 위치에너지로 바뀌면서 끊임없이 변하면서 낙하한다. 그러므로 역학적 에너지가 보존되지 않는다. 하지만 이렇게 끊임없이 변하여도 결국엔 에너지와, 위치에너지의 총량은 일정하게 유지된다. 어차피 높이가 똑같은 곳에서 계속 낙하하기 때문이다. 이렇게 역학적 에너지가 보존되지 않을 때에도 에너지의 총량은 일정하게 유지된다. 그러므로 외부적 영향을 거의 받지 않으므로 구조물이 5층 높이에서 땅으로 도착했을 경우 충격량을 최소화해야 한다.

 

4) 충격량

물체의 운동량에 변화를 주는 물리량으로서, 힘과 힘이 작용한 시간의 곱을 충격량이라고 한다. 즉, 충격량은 운동량의 변화량과 같다. 따라서 충격을 주는 힘이 클수록 충격의 양이 더 클 것이며, 충격을 받고 있는 시간이 길수록 충격의 양이 클 것이다. 테니스공이 라켓에 의 속력으로 충돌한 후 의 속력으로 튀어 나갈 때 테니스 공이 받는 힘은 대략 그림과 같이 나타낼 수 있다.

 

[Engineering/공학실험] - [창의공학설계]계란 낙하 실험 2부