[일반물리학실험]달걀 스턴트

실험 목적

1. 충격량에서 바닥에서의 충돌시간과 충격력의 관계를 설명할 수 있다.

2. 충격량과 운동량의 관계를 알고, 구조물의 안정성을 이해할 수 있다.

3. 실생활에서의 적용을 통해서 문제해결력과 창의성을 발달한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 소개

운동량 P=mv로 물체의 질량에 속도를 곱한 양이고, 충격량 I=F∆t로 힘과 그 힘이 작용한 시간을 곱한 양이다. 이 뿐 아니라 충격량은 곧 운동량의 변화량과 같기 때문에 mv나중-mv처음이라고 정의되어진다. 먼저 이 실험의 원리를 설명하기 위해 딱딱한 시멘트 바닥과 스펀지로 된 바닥을 장치하고 위에서 유리컵을 떨어뜨린다고 가정해보자. 

이 때 같은 높이에서 같은 질량의 유리컵을 떨어뜨리므로 딱딱한 시멘트 바닥과 스펀지로 된 바닥에서의 운동량의 변화량은 모두 같다. 그러나 스펀지로 된 바닥은 푹신푹신하기 때문에 유리컵이 정지하여 운동량이 0이 될 때까지의 시간이 상대적으로 오래 걸리기 때문에 ∆t가 더 크므로 F, 즉 힘은 줄어들게 된다. 

반면에 시멘트 바닥은 스펀지 바닥에 비해 ∆t가 작으므로 오히려 상대적으로 F는 커지기 때문에 시멘트바닥에서 유리컵은 더 큰 힘을 받아 결국 깨지게 되는 것이다. 이 원리를 이용하여 달걀 스턴트 실험을 하게 된다. 여기서 걸리는 시간을 오래하여 힘을 덜 주게 하는 등의 충격량의 원리를 잘 사용하여 충격을 완화시켜서 달걀이 깨지지 않게 하는 것이 중요하다고 볼 수 있다.

 

2. 실험 설계

충격량의 공식을 바탕으로 하면 충격을 줄이는 방법에는 힘의 크기를 줄이거나, 운동량이 0이 될 때까지의 시간을 늘리는 방법 두 가지가 있다. 먼저 나는 힘과 빨대를 이용해서 걸리는 시간을 늘리려면 푹신하게 많이 감싸야 하는데 그러기에는 빨대의 개수에도 한계가 있고, 무조건 감싸기에는 분명 문제가 있을 것이라고 생각해서 힘을 줄이는 방법을 같이 동원하기로 하였다. 

먼저 압력에 대해 알아보고 넘어가야한다. 압력은 물체와 물체의 접촉면 사이에 작용하는 서로 수직으로 미는 힘을 말한다. 압력의 정의대로라면, 사각형 형태로 달걀을 둘러싸는 구조물은 수직으로 더 많은 힘이 가해질 수 있기 때문에 무작정 빨대로 달걀을 감싸기만 한다면 달걀이 깨지지 않게 하는데 큰 효과가 없을 것이라고 생각했다. 그래서 트러스 구조가 삼각형 단위공간으로 구성이 되고, 이것이 힘을 분산시켜준다는 원리를 알고 있었기에 트러스 구조로 외형을 짜서 힘도 같이 줄여보면 어떨까 생각하였다. 

그래서 먼저 외형을 트러스 구조로 만들어 나가기 시작했고, 바닥과 닿는 바닥면에는 빨대를 6개 정도 나란히 붙여서 겹겹이 쌓아 최대한 푹신하게 만들 수 있도록 하여서, 힘을 줄이는 것 이상의 효과를 보기 위해 걸리는 시간을 조금이라도 더 길게 할 수 있도록 모두 고려하여 설계해보았다.

 

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료 

굵은 빨대 30개(일자형), 스카치테이프, 가위, 작품설계도, 달걀

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

① 설계도 도면에 맞추어 빨대를 사용해 달걀을 넣고 떨어뜨릴 구조물을 만든다.

② 구조물에 달걀을 넣는다.

③ 학교 건물 3층 높이에서 달걀을 넣은 구조물을 떨어뜨린다.

④ 달걀을 꺼내어 확인한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

실험은 성공하였다. 충격량의 원리를 잘 기억하여 닿는 면을 푹신하게 해서 걸리는 시간을 길게 했을 뿐 아니라 힘을 분산시킴으로써 상대적으로 걸리는 시간을 또 더 길어지게 하였기 때문에 더 성공할 확률이 높았다고 생각한다.

완성된 모습

 

토의 사항

1. 실험 고찰

실제로 ‘트러스’ 구조는 힘의 분산을 주 목적으로 한 것으로, 삼각형 구조의 모서리에 힘이 가해지면 힘을 다른 모서리 쪽으로 분산시킬 수 있어서 단위 면적 당 받는 하중이 줄어들어 비용 부분에서도 매우 효율적이라 현재 건축 분야에서도 아치형 구조와 함께 대표적인 구조물들의 형태로 사용되고 있다. 또 불이 났을 때 사람이 창문으로 탈출할 경우를 대비하여 이불과 같은 푹신한 에어 장치를 밑에 깔아놓고 기다리기도 한다. 이것은 걸리는 시간을 오래하여 충격량을 완화하는 것으로, 결국 두 가지 적용 사례로 보아 실험에 사용된 충격량 관련 원리들은 모두 실생활에 잘 녹아들어 있다는 것까지도 알 수 있었다. 간단한 실험임에도 불구하고 미처 알지 못하고 넘어갈 뻔 했던 생활 속 충격량 관련 사실들까지 확인할 수 있어 효율적인 경험이었다고 생각한다.