나뭇잎 교과서

실생활 문제 해결 도구 설계·제작

공학은 '제일 튼튼한 것'이 아니라 '조건 안에서 제일 나은 것'을 찾습니다. 정해진 종이로 가장 무거운 짐을 버티는 기둥을 설계하고, 시험하고, 고쳐 봅시다.

먼저 알면 좋은 것 충격량
본문

실생활 문제 해결 도구 설계·제작

본문

A4 종이 한 장을 그냥 세우면 바로 쓰러진다. 그런데 둥글게 말아 기둥으로 세우면 그 위에 책 몇 권을 올려도 버틴다. 같은 종이인데 모양만 바꾸었을 뿐이다. 그렇다면 굵게 한 번 말까, 가늘게 여러 번 말까? 삼각기둥, 사각기둥, 원기둥 가운데 어느 것이 가장 튼튼할까? 정해진 재료로 가장 나은 해결책을 찾는 공학 설계의 과정을 따라가 보자.

그림 1. A4 종이(너비 21 cm)를 \(n\)겹으로 말아 만든 원기둥이 휘어 꺾이기 시작하는 하중의 상대값(모형). 여러 겹으로 말면 벽은 두꺼워지지만 반지름이 작아져, 휘어 꺾이는 데 버티는 힘은 오히려 줄어든다.
먼저 알아야 할 것힘과 압력, 충격량(통합과학), 변인 통제, 탐구 문제 정하기(사회적 이슈에서 탐구 문제 찾기).

1.3.1기둥이 무너지는 두 가지 방식

기둥은 두 가지 방식으로 무너진다. 하나는 가는 기둥이 옆으로 휘면서 꺾이는 좌굴이고, 다른 하나는 굵고 짧은 기둥의 벽이 짓눌려 구겨지는 압괴이다. 휘어 꺾이는 데 버티는 힘은 단면이 중심에서 멀리 퍼져 있을수록 크다. 그래서 같은 양의 재료라면 속이 빈 굵은 관이 꽉 찬 가는 막대보다 잘 버틴다. 자전거 뼈대와 대나무가 속이 빈 관인 까닭이다.

정리 1.3.1 공학 설계의 과정

공학 설계는 해결할 문제와 조건(재료, 시간, 비용)을 정하고, 여러 해결책을 구상하여, 시제품을 만들고 시험한 뒤, 결과를 분석하여 개선하는 과정을 되풀이한다. 목표는 조건 안에서 가장 나은 해결책을 찾는 것이다.

그림 1에서 겹 수를 바꾸어 보자. 종이를 한 겹으로 크게 말면 반지름이 약 3.3 cm이다. 두 겹이면 벽은 두 배 두껍지만 반지름이 절반이 되어, 휘어 꺾이는 데 버티는 힘은 4분의 1로 준다. 그런데 한 겹짜리는 벽이 너무 얇아 위를 누르면 가장자리가 구겨지기 쉽다. 그래서 실제로 가장 잘 버티는 기둥은 두 방식의 약점을 함께 고려한 중간 어딘가에 있고, 그것은 시험으로 찾는다.1

1.3.2시험하고 고치기

시제품을 만들면 같은 방법으로 공정하게 시험한다. 기둥 위에 판을 얹고 같은 무게의 추를 하나씩 올려, 무너지기 직전의 무게를 기록한다. 같은 설계로 기둥을 세 개 이상 만들어 평균을 내고, 어디서 어떻게 무너졌는지 관찰한다. 가장자리가 구겨졌다면 위아래 끝을 덧대고, 옆으로 휘었다면 반지름을 키운다. 이렇게 실패를 분석하여 고치는 과정이 설계의 핵심 활동이다.

문제·조건 구상 제작 시험 개선
그림 2. 공학 설계는 시험 결과로 구상을 고치는 과정을 되풀이한다.

1.3.3예제 풀이

예제 1.3.2

A4 종이 너비 21 cm를 한 겹으로 말면 원기둥의 반지름은 얼마인가? 휘어 꺾이는 데 버티는 힘이 '반지름의 세제곱 × 벽 두께'에 비례한다면, 세 겹으로 말았을 때는 한 겹의 몇 배인가? 이 결과에도 불구하고 세 겹 기둥을 시험해 볼 까닭은 무엇인가?

둘레가 21 cm이므로 반지름은 \(\dfrac{21}{2\pi} \approx 3.3\) cm이다. 세 겹이면 둘레가 7 cm로 반지름은 약 1.1 cm, 벽 두께는 3배이다.

버티는 힘은 \(\left(\dfrac{1}{3}\right)^3 \times 3 = \dfrac{1}{9}\)배로 크게 준다. 그런데 이 계산은 기둥이 옆으로 휘어 꺾이는 경우만 다룬다. 한 겹짜리는 벽이 얇아 끝부분이 먼저 구겨질 수 있으므로, 실제로는 두 겹이나 세 겹이 더 잘 버틸 수도 있다. 즉 모형은 방향을 알려 주지만 마지막 판단은 시험이 내린다. 그래서 공학 설계에서는 계산과 시험을 함께 한다.

아래 탐구 카드에서 떨어뜨린 달걀을 지키는 장치와, 종이 한 장으로 가장 무거운 짐을 버티는 기둥을 직접 설계해 보자.

  1. 같은 둘레라면 원기둥이 사각기둥이나 삼각기둥보다 잘 버티는 경우가 많다. 모서리가 없어 힘이 고르게 퍼지고, 각기둥의 평평한 면이 먼저 안으로 휘기 때문이다.
마무리

기둥은 옆으로 휘어 꺾이거나 벽이 짓눌려 무너지며, 같은 재료라면 단면이 중심에서 멀리 퍼진 속이 빈 관이 잘 버틴다. 공학 설계는 조건 안에서 구상, 제작, 시험, 개선을 되풀이하여 가장 나은 해결책을 찾는다. 그래서 처음 질문의 종이 기둥은 크게 말수록 휘는 데 강하지만 벽이 얇아 구겨지기 쉬우므로, 그 사이의 최적을 시험으로 찾아 책 여러 권을 버티게 만든다.

탐구 1

떨어뜨린 달걀이 깨지지 않게 하려면?

충돌 시간 · 튀어 오름 · 설계
닿는 순간 속력
—
충격량
—
최대 힘
—
결과
—

달걀은 60 g이고 공기 저항은 무시했다. 받침 네 가지의 시간과 튀어 오르는 정도는 비교를 위해 정한 모식값이며, 튀어 오르는 정도는 (튀어 오르는 속력) ÷ (부딪치는 속력)이다. 달걀 껍데기는 천천히 누를 때 수십 N에서 깨지므로 기준을 30 N으로 두었다.

  1. 질문달걀을 1 m 높이에서 떨어뜨려도 깨지지 않게 받침을 만들려고 한다. 푹신한 것과 탱탱하게 튀는 것 가운데 무엇이 나을까?
  2. 복원떨어지는 속력은 높이로 정해진다(v = √(2gh)). 또 충격량은 운동량의 변화이고, 같은 충격량이라도 시간이 길면 힘이 작다.
  3. 설명달걀이 멈추기만 하면 운동량 변화는 mv이다. 그런데 튀어 오르면 아래로 가던 운동량을 없애고 위로 가는 운동량까지 새로 만들어야 한다. 그래서 운동량 변화가 m(v + v′)로 커진다.
  4. 연결따라서 받침이 할 일은 두 가지이다. 멈추는 시간을 늘리고, 튀어 오르지 않게 하는 것이다. 둘 다 달걀이 받는 힘을 줄인다.
  5. 적용1 m에서 네 받침을 모두 시험한 뒤 높이를 3 m로 올려 보자. 두꺼운 스펀지와 탱탱한 고무판은 멈추는 시간이 같은데도, 고무판은 튀어 오르는 만큼 운동량 변화가 커서 결과가 갈린다.
  6. 판단“푹신하면 무조건 안전하다”는 반만 맞다. 너무 얇아서 끝까지 눌려 바닥에 닿으면 그 순간 시간이 짧아져 힘이 커지기 때문이다. 또 이 그림은 깨지는 조건을 최대 힘 하나로 단순화했다. 실제 달걀은 부딪치는 방향, 껍데기 두께, 힘이 한 점에 몰리는지에 따라 달라진다.

확인조건이 달라지면

같은 공을 같은 높이에서 떨어뜨렸다. 찰흙 바닥에서는 공이 붙어 멈추고, 고무 바닥에서는 거의 같은 속력으로 튀어 올랐다. 두 경우 모두 부딪친 시간이 같다면, 바닥이 공에 준 충격량은?

탐구 2

종이 한 장으로 얼마나 무거운 것을 버틸 수 있을까?

실험 · 공학적 설계 · 압축과 좌굴
단면
조건
A4 1장, ≥20 cm
목표
8 kg 이상
방금 버틴 무게
—

A4 용지(80 g/m², 두께 0.1 mm)의 짧은 변 210 mm를 감아 기둥을 만든다. 둘레를 줄이면 그만큼 여러 겹으로 감긴다. 같은 설계로 만들어도 접착과 끝단 상태가 달라 버티는 무게가 ±15%쯤 흩어진다.

  1. 탐구 문제A4 용지 한 장과 테이프만 써서, 높이 20 cm 이상이면서 8 kg짜리 책 더미를 버티는 기둥을 만들어야 한다. 어떤 모양으로 어떻게 말아야 할까?
  2. 복원기둥을 위에서 누르면 세 가지 방식으로 무너진다. 재료 자체가 눌려 부서지거나(압축 파괴), 기둥 전체가 옆으로 휘거나(좌굴), 얇은 벽 한 부분이 우그러진다(국부 좌굴). 이 가운데 가장 먼저 일어나는 것이 버티는 무게를 정한다.
  3. 설계공학적 설계는 문제를 정의하고, 조건과 제약을 확인하고, 여러 아이디어를 내어 시제품을 만들고, 시험한 뒤 개선하는 과정을 되풀이한다. 여기서 조건은 “8 kg 이상”이고 제약은 “종이 1장, 높이 20 cm 이상”이다. 한 번에 설계 변인 하나만 바꿔 가며 시험한다.
  4. 분석평평한 벽(사각형, 삼각형)은 얇은 판처럼 쉽게 휘어 국부 좌굴로 일찍 무너지지만, 둥근 벽은 휘기 어렵다. 또 둘레를 줄여 여러 겹으로 감으면 벽이 두꺼워져 강해지지만, 너무 가늘게 감으면 기둥 전체가 휘는 좌굴이 일어난다. 그래서 그 사이 어딘가에 가장 좋은 설계가 있다.
  5. 측정세 단면을 둘레 210 mm로 먼저 시험한 뒤, 가장 나은 모양에서 둘레를 줄여 가며 시험해 보자. 둘레가 몇 mm부터 8 kg을 넘기는지, 더 가늘게 말아도 계속 강해지는지 확인하고, 높이를 29 cm로 늘리면 가장 좋은 둘레가 어느 쪽으로 옮겨 가는지도 보자.
  6. 오차·안전같은 설계도 만들 때마다 결과가 흩어지므로, 한 번 성공으로 결론 내지 말고 같은 설계를 세 번 이상 시험해 가장 낮은 값을 기준으로 삼는다(안전 여유). 실제 시험에서는 추가 떨어질 수 있으니 손과 발을 기둥 아래에 두지 않고, 추는 낮은 높이에서 천천히 올린다.

확인조건이 달라지면

높이 29 cm로 가늘게 만 원기둥이 6 kg에서 가운데가 옆으로 휘며 무너졌다. 종이 양은 그대로 두고 가장 효과적인 개선은?

AI 출제 문항연습문제 풀어보기34문항
Esc

↑↓ 고르기Enter 열기