고등학생이 보는 돛단배 위 선풍기

영혼을 갈아 넣었어요...

본 그림은 어디로 향할까? 선풍기와 돛 모두 배에 고정되어 있고 돛의 크기와 선풍기의 출력은 충분하다.

 일반적으로 선풍기가 바람을 100정도 밀었을때 민 반작용으로 100만큼 c방향으로 힘이 가해지기에 선풍기가 민 100이 돛을 전부 치더라도 이 돛단배는 b에 있어야 한다. 그렇다면 실제 결과는 어떨까 지금 바로 확인해보자!

먼저 실험 준비물 이다. 돛의 역할을 할 마스크와 배의 역할을 할 플라스틱 통, 돛을 고정해줄 빨대와 간이 선풍기 그리고 호수 역할을 해줄 큰 플라스틱 통과 물을 준비한다.

첫번째 실험이다. 배에다가 선풍기만 한개 달고 물위에 띄었다. 결론은 너무 당연히 C로 이동한다 였는데 왜 선풍기를 키면 선풍기의 뒷방향 즉 C로 배가 이동하게 될까? 핵심은 기압경도력 이다. 기압경도력이란 대기 안에서 서로 다른 압력 차이로 발생하는 힘을 뜻한다. 쉽게 설명 하면 선풍기가 공기를 A향으로 밀어내면서 C쪽의 압력은 낮아지게 된다. 이때 C쪽의 바람이 상대적으로 적으니 이를 채우기 위해 배가 C로 이동한다고 할 수 있다. 이런 원리 즉 기압경도력때문에 배는 C로 이동하게 된다.

두번째 실험이다. 이번에는 선풍기 앞에다가 마스크로 돛을 만들어 달아 실험을 했다. 실험의 결과는 빙빙 돈다였다. 심지어 A방향보다는 C방향으로 이동하는 모습을 약간 보이기까지 했다. 이 실험이 왜 문제였는지 생각을 해보고 장치를 좀 만져보니 돛아래로 바람이 많이 새고 돛의 방향의 좌우대칭이 안맞는 모습을 알 수 있었다. 그렇게 3번째 실험때에는 돛의 크기를 키웠고 위치를 중앙으로 고정하고자 노력하였다.

그렇게 3번째 실험을 진행하게 되었다. 실제로 내가 생각했던 결과인 A가 나와서 정말 행복했다. 그럼 이 배가 A로 향할 수 있었던 이유는 무엇일까? 사실 이 배가 a로 간 이유를 알기 위해서는 먼저 베르누이의 방정식에 대해 알아야한다.  P+ ρgh + 1/2ρv2  는 일정하다 라는 법칙인데 여기서 얻을 정보는 기체의 속력이 높아지면 압력이 낮아진다. 이다. 이 원리를 이제 돛단배에 적용할 수 있다.

 그림을 보면 선풍기가 공기를 100만큼 밀어주는 대신 100만큼 반작용으로 반대로 밀리고있다. 하지만 선풍기 앞의 부분에 유체의 속도가 빨라져 저기압이 되고 그렇게 주변의 공기가 추가적으로 빨려들어오게 된다. 이로써 110의 충격량으로 돛을 미는 장면을 볼 수 있다. 결론적으로 A에는 돛을 미는 충격량이 110만큼 작용되어 있고 c방향으로는 선풍기의 반작용인 100만큼의 충격량이 작용되어 있기에 이 배는 A로 향한다고 할 수 있다. 실제로 내가 실험을 해보지는 못했지만 시중에 나와있는 실험영상을 보면 외부의 공기를 차단한 채(닫힌계)로 이 실험을 진행하면 선풍기의 앞이 저기압이 되었을 때 유입되는 공기가 없어 앞으로 진행하지 못하게 된다. 이해가 안되는 부분이 있으면 댓글을 부탁드린다. 내가 아는 선에서 최대한 쉽게 설명하기 위해 노력하겠다.

이 실험을 준비하고 진행하는데 까지 많은 노력과 시간을 들였다. 하지만 내가 생각하는 결과를 도출 할 수 있었고 실험하는 동안 힘들긴 해도 즐거웠던 것 같다. 앞으로도 비슷한 종류의 글을 계속 작성 할 계획이다. 그러니 구독 한번만 부탁드려요..

글 읽어주셔서 감사합니다. 저는 이만 더 좋은 글을 작성하러 떠나겠습니다. 감사합니다!