[도전! 섭섭박사 실험실] 날개 없는 비행기 콘테스트

2019.01.20 14:00
 

섭섭박사님은 친구들과 함께 공원으로 산책을 나갔어요. 잠깐 쉴 겸, 공원 벤치에 앉아 물병 속 물을 마시려는 순간, 공원에 걸린 ‘날개 없는 비행기 콘테스트’ 현수막이 눈에 들어왔어요! 섭섭박사님은 손에 들고 있던 물병을 번쩍 들었지요. “물병으로 비행기를 만들어서 콘테스트에 나가볼까?!”

 

● 도전! 실험

 

물병으로 비행기를 만든다!

 

섭섭박사님이 물병으로 만들려고 하는 비행기는 ‘어떤 힘’을 이용해 날개도 없이 날아간다고 해요. 과연 그 힘의 정체는 무엇일까요? 함께 비행기를 만들며 알아봐요.

 

① 물병의 윗부분을 잘라 컵 모양으로 만든다. (가벼운 컵이 있다면 컵을 사용해도 좋다.)
② 두꺼운 종이에 물병 바닥을 대고 연필로 따라 그린 뒤, 크기에 맞춰 돌기가 나오도록 오린다.
③ ②에서 오린 종이의 양쪽 면에 각각 물병 바닥을 붙인다.
④ 각 물병의 뚫린 부분을 비닐 랩으로 막고 테이프로 고정시킨 뒤, 테이프 아래쪽 랩을 잘라낸다.
⑤ 두꺼운 종이의 튀어나온 부분에 발사대의 고무줄을 걸고 하늘로 날린다.

 

 

● 어떻게 된 걸까?

 

→ 결과 : 비행기가 빠르게 회전하며 하늘을 유유히 난다.

 

회전하며 나아가는 컵의 위쪽에 부딪히는 공기는 컵과 회전방향이 같기 때문에 공기가 빠르게 흐르면서 상대적으로 압력이 낮아져요. 반대로 컵의 아래쪽은 공기가 느리게 흐르며 압력이 높아진답니다. 이러면 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 향하는 힘이 생기는데, 이 힘을 ‘마그누스 힘’이라고 불러요. 이 실험에선 컵이 위쪽 방향으로 마그누스 힘을 받기 때문에 하늘을 날 수 있지요.

 

 

● 왜 그럴까?

 

커다란 원통이 달린 배의 정체는?

 

마그누스 힘은 다양한 곳에 쓰이고 있어요. 심지어 배를 움직이는 데에도 쓸 수 있다고 해요! 또 어디에 활용할 수 있을까요?

 

화석 연료가 사용되기 전, 배는 바람을 동력으로 이용해 움직였어요. 그래서 대부분의 배들은 범선처럼 커다란 돛을 달고 항해를 했지요. 하지만 돛은 크기가 클 뿐만 아니라, 돛을 접고 펴는 일 또한 번거로웠어요. 이 때문에 화석 연료가 개발된 후의 배들은 바람보다는 엔진의 힘으로 프로펠러를 돌려 항해를 했지요.

 

독일의 풍력 에너지 기업인 ‘에너콘’이 제작한 ‘E-ship 1’. carschten(W)
독일의 풍력 에너지 기업인 ‘에너콘’이 제작한 ‘E-ship 1’. carschten(W)

그런데 최근, 화석 연료에 의한 환경오염 문제가 심각해지면서 다시금 바람으로 움직이는 배에 대한 관심이 생기고 있어요. 독일의 풍력 에너지 기업인 ‘에너콘’이 제작한 ‘E-ship 1’이나 핀란드의 선박회사 ‘바이킹 라인’이 만든 ‘MS 바이킹 그레이스’가 대표적이랍니다. 이 배들은 돛이 아닌, 커다란 원통을 달고 있지요. 이 원통은 ‘로터 세일’이라고 불리는 새로운 형태의 돛으로, 마그누스 힘을 이용해 배를 움직인답니다.

 

‘E-ship 1’에는 지름 4m, 높이 27m의 거대한 원통 4개가 달려 있어요. 이 원통이 회전하면서 만든 마그누스 힘이 배를 움직이지요. 다만, 마그누스 힘만으로는 배를 빠르게 움직이지 못하기 때문에 화석 연료를 이용한 엔진과 함께 사용한답니다. 시험 운항을 해 본 결과, 다른 선박들에 비해 화석 연료를 25% 정도 덜 사용한 것으로 나타났지요. 또한 최근 ‘MS 바이킹 그레이스’ 역시 로터 세일을 장착해 연간 900t 정도의 이산화탄소 배출을 줄이겠다는 계획을 발표했답니다.

 

● 실험 하나 더!

 

접시로 헬리콥터를 만들자!

 

물병으로 만든 비행기만으로도 충분히 놀라운데, 섭섭박사님은 회심의 미소를 지으며 바구니에서 일회용 접시를 꺼냈어요. 이걸로 헬리콥터를 만들 수 있다고요?

 

① 일회용 접시를 위 사진 모양처럼 오린다.
② 각 날개에 칼집을 낸 뒤, 아래로 45° 정도 구부린다.|
③ 날개의 중앙에 구멍을 뚫고 막대기를 꽂아 고정시킨다.
④ 손으로 막대기를 비비듯 회전시키며 날린다.

 

 

● 어떻게 된 걸까?

 

→ 결과 : 프로펠러가 꽂힌 막대가 하늘로 날아오른다.

 

위 실험에서 만든 프로펠러가 날아오르는 원리는 헬리콥터의 원리와 비슷해요. 헬리콥터는 프로펠러를 빠르게 회전시켜 생기는 양력으로 떠오르지요. 그래서 활주로가 없는 곳에서도 비행이 가능하며, 수직으로 이륙과 착륙을 할 수 있다는 장점이 있답니다.

 

헬리콥터의 프로펠러를 보면 살짝 경사가 있는 것을 볼 수 있어요. 프로펠러가 빠르게 회전하면 위쪽의 공기가 경사를 타고 아래로 내려가지요. 이로 인해 날개 위 아래에 기압차가 생기고 양력이 발생하는 거랍니다. 또한 프로펠러의 기울기를 조절하면 비행 방향과 속도를 바꿀 수 있어요.

 

 

관련기사 : 어린이과학동아 2019년 2호(2019.1.15 발행) [도전! 섭섭박사 실험실] 날개 없는 비행기 콘테스트!

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