완구형 자이로스코프
보이는 과학 : IN LAB 007
회전하는 물체의 자세를 유지하려는 성질
완구형 자이로스코프는 재미있는 장난감이지만 회전하는 물체에 만들어지는 자세를 유지하려는 힘을 느껴 볼 수 있고 회전하는 물체의 운동을 관찰할 수 있는 실험 도구로도 매우 효율적입니다.
완구형 자이로스코프
완구형 자이로스코프는 "자이로스코프 팽이"로 검색하면 구할 수 있습니다.
완구형 자이로스코프는 팽이 받침대, 팽이 돌리는 기구, 실, 상자로 구성되어 있습니다.
상자도 중요한 실험도구입니다. 손상되진 않게 조심해서 개봉하고 손상되면 테이프 등으로 보수해서 사용하면 됩니다.
자이로스코프 돌리기(1) 팽이를 회전시키기 위해 돌리는 기구의 톱니 모양과 팽이 윗부분의 기어가 맞물리게 넣어줍니다. 처음에는 기구와 기어가 꽉 끼는 느낌으로 넣어주기가 좀 어렵지만 사용하다 보면 부드러워집니다.
기구를 밀어 넣을 때 손가락이 회전하는 팽이와 접촉하지 않도록 노란색 플라스틱 프레임 위쪽을 잡아 줍니다. 그리고 팽이가 고속으로 회전하고 계속 회전하려는 힘이 크기 때문에 회전하는 팽이와 손가락이 접촉하면 마찰에 의해 상처를 입을 수 있으므로 주의가 필요합니다.
또한 회전하는 팽이를 손 등을 이용하여 무리하게 멈추려고 하면 마찬가지로 상처를 입을 수 있으므로 우선 팽이 돌리는 법과 멈추는 법의 연습이 필요합니다.
기구를 끝까지 밀어 넣었으면 처음에는 부드럽게 기구를 당겨 줍니다. 빠른 회전을 위해 기구를 너무 세게 당기면 기구가 끊어지는 경우가 많이 발생합니다. 팽이 하나에 돌리는 기구가 하나밖에 없고 기구가 없으면 팽이를 빠르게 회전시키는 것은 사실상 불가능합니다. 그래서 처음에는 천천히 기구를 당기면서 팽이를 돌리는 연습을 하는 것이 반드시 필요합니다.
자이로스코프 멈추기(2) 끝까지 밀어 넣은 기구를 천천히 당겨서 빼고 팽이가 회전하면 돌리는 기구의 톱날 모양이 없는 쪽을 팽이에 밀착시켜 회전하는 팽이를 멈춥니다.
팽이를 멈출 때 기구의 톱날 모양 쪽을 팽이에 밀착시키면 마찰에 의해 톱날 모양이 손상되어 팽이를 돌리기가 어렵습니다. 따라서 주위가 필요합니다.
기구를 이용하여 팽이를 돌리고 멈추는 연습을 충분히 하면서 팽이를 빠르게 돌리는 기술을 익힙니다.
(3) 팽이를 빠르게 회전시키는 것이 가능해지면 자이로스코프를 바닥에 내려놓고 관찰합니다.
(4) 자이로스코프를 관찰하다가 멈추고 싶으면 손으로 감싸듯 외부 프레임을 잡아 줍니다.
외부프레임은 회전하는 팽이와 독립된 회전과 멈춤이 가능해 팽이와 같이 회전하고 있어도 손으로 잡아도 안전합니다.
그러나 손으로 잡을 때 회전하는 팽이와 피부가 접촉하지 않도록 주의하는 것은 필요합니다.
손으로 잡았으면 연습했던 대로 돌리는 기구를 이용하여 회전하는 팽이를 멈추어 줍니다.
(5) 팽이가 회전하는 상태에서 자이로스코프의 한쪽 끝을 손가락으로 잡고 기울기에 변화를 주면 자세 변화에 저항하는 힘을 느낄 수 있습니다. 회전하는 팽이가 만들어 주는 자세를 유지하려는 힘입니다.
(6) 자이로스코프를 회전시킨 후 받침대 위에 올려놓고 관찰해 봅니다.
(7) 자이로스코프를 회전시킨 후 살짝 기울여 받침대 위에 올려놓고 관찰해 봅니다.
기울어진 팽이의 회전력에 의해 발생하는 자세를 유지하려는 힘에 의해 자세를 유지하며 원뿔 모양의 회전운동을 하는 것을 관찰할 수 있습니다. 이 운동을 세차운동이라고 합니다.
(8) 자이로스코프를 회전시킨 후 손가락, 펜 끝, 물건의 모서리 등 다양한 곳에 올려놓고 관찰해 봅니다.
(9) 한 사람이 실을 팽팽하게 잡아주고, 자이로스코프를 회전시킨 후 아랫부분의 홈을 이용하여 실 위에 올리고 관찰해 봅니다.
(10) 자이로스코프를 회전시킨 후 상자에 대각선으로 넣어 주고 상자 위부분을 닫아 주고 모서리로 세워준 후 관찰해 봅니다.
상자에 넣을 때 자이로스코프의 아랫부분이 상자의 어느 모서리로 들어가는지 잘 기억하고 있다가 그 부분을 바닥이나 받침대에 올려놓습니다.
완구형 자이로스코프는 팽이를 돌리를 기구가 손상되지 않게 하면서 팽이를 빠르게 회전시키는 기술을 익히는 것이 중요합니다.
1. 바닥, 2. 받침대, 3. 세차운동, 4. 손가락과 펜 끝, 5. 실, 6. 상자의 순서는 팽이의 회전속도가 점점 강해질 때 관찰이 용이한 순서입니다.
팽이를 돌리는 기술은 순서대로 진행하면서 자연스럽게 익혀집니다. 개봉 후 순서대로 진행하는 것이 효율적입니다.
보이는 과학
체험과학에서 회전하는 물체를 도구로 사용할 때 관찰하거나 느낄 수 있는 힘은 바깥쪽으로 작용하는 힘과 자세를 유지하려는 힘이 있습니다. 회전하는 물체가 자세를 유지하려는 힘의 크기는 속도, 질량, 지름이 커질수록 커집니다.
완구형 자이로스코프는 짐벌이 없는 무거운 원판을 포함한 팽이를 외부 프레임이 감싸고 있는 구조입니다. 짐벌을 사용하는 자이로스코프와의 가장 큰 차이점은, 완구형 자이로스코프에서는 회전하는 팽이의 자세가 외부 힘의 영향을 받는다는 점입니다. 이로 인해, 짐벌을 사용하는 자이로스코프에서는 관찰하기 어려운 세차운동(Precession)을 보다 쉽게 관찰할 수 있습니다.
회전하는 물체에 외부의 힘이 작용해 회전축의 자세가 변하면 물체는 자세를 유지하려는 힘에 의해 자세를 유지하고 물체가 회전하는 방향으로 토크가 발생하여 원뿔모양의 회전운동을 합니다. 이를 세차운동이라고 합니다.
또한 회전하는 완구형 자이로스코프의 한쪽 끝을 잡고 자세를 변화시켜 보면 회전하는 물체가 자세 변화에 저항하며 자세를 유지하려는 힘을 느낄 수 있습니다.
회전하는 물체가 자세를 유지하는 힘을 느낄 수 있고 세차운동을 관찰할 수 있다는 점에서 체험과학에서는 짐벌을 사용하는 자이로스코프보다 완구형 자이로스코프가 더 효율적입니다.
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