종이로켓
보이는 과학 : IN LAB 008
무게를 극복하면 날 수 있습니다.
무게를 극복하면 날 수 있습니다. 무게를 극복하는 가장 간단한 방법은 관성을 이용하는 것입니다. 관성은 외부 힘에 의해 운동을 시작한 물체가 그 운동을 계속 유지하려는 성질입니다. 우리는 종이를 이용해 손으로 밀어주는 힘과 관성을 이용해 날릴 수 있는 종이 로켓을 간단하게 만들 수 있습니다.
종이 로켓
준비물 : A4 용지
(1) A4 용지 윗부분을 대각선으로 접어 삼각형 모양으로 만들어줍니다. (빨간 선이 접는 선입니다.)
(2) 삼각형 밑부문을 반으로 접어줍니다.
(3) 반으로 접은 밑부분을 대각선으로 반으로 접어줍니다.
(4) 위쪽 삼각형 쪽으로 4번 접어줍니다.
(5) 뒤집어서 마지막 접힌 부분의 끝부분을 안쪽으로 접어 종이가 겹치는 부분에 넣어 고정시켜 줍니다.
(6) 위험할 수 있으니 뾰족한 끝부분을 조금 잘라 줍니다.
(7) 가운데를 접어 두 개의 날개가 직각이 되도록 만들어 줍니다.
(8) 날개를 잡고 날려 봅니다.
보이는 과학
비행 중인 물체의 자세는 비행 성능에 큰 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 이 자세는 무게중심과 공력중심의 상대적인 위치에 따라 결정되며, 두 중심의 위치 차이에 따라 비행의 안정성, 활공각, 비행 거리 등이 달라집니다.
날고 있는 물체에는 공기에 의해 힘이 작용하며 이를 공력이라고 합니다. 공력은 무게중심처럼 작용점이 있으며 이 작용점을 공력중심이라고 합니다. 공력은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 물체의 운동 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘을 항력이라고 하며, 물체의 운동방향에 수직으로 작용하는 힘을 양력이라고 합니다.
비행하는 물체에서 무게는 항상 지구중심 방향으로 작용하며 물체를 지면으로 끌어당깁니다. 그리고 항력은 물체의 속도를 감소시킵니다. 즉 무게를 극복하고 항력을 감소시켜야 물체는 좀 더 멀리 날 수 있습니다.
종이로켓의 무게중심과 공력중심 위치종이로켓은 두 개의 긴 삼각형 날개가 직각으로 이어진 형태이며, 무게중심은 종이가 많이 겹쳐 있는 앞쪽에 위치합니다. 공력은 면적이 넓은 부분에서 더 크게 작용하므로, 공력중심은 면적이 넓은 뒤쪽에 위치하게 됩니다.
물체를 던져 날릴 때 비행거리는 던지는 힘과 기술, 그리고 비행 중 발생하는 항력에 크게 영향을 받습니다. 던지는 힘과 기술은 반복적인 연습을 통해 향상시킬 수 있으며, 항력은 물체의 형태에 따라 달라집니다.
관성에 의해 비행하는 물체는 지구 중심 방향으로 작용하는 무게 때문에 포물선 경로를 따라 날아갑니다. 따라서 약간 위쪽 방향으로 던지면 더 멀리 날릴 수 있습니다.
항력은 물체가 공기와 마주하는 면적과 형태에 따라 달라집니다. 종이로켓은 앞쪽이 뾰족하고 길쭉한 형태이기 때문에 공기 저항(항력)이 작아 공 모양의 물체보다 더 멀리 날 수 있습니다.
종이로켓의 비행거리에는 비행 자세도 중요한 영향을 미칩니다. 종이로켓이 포물선 궤적을 따라 날아가는 동안, 자세가 운동 방향에 대해 기울어지면 공기 저항(항력)이 증가하게 됩니다. 이로 인해 속도가 빠르게 감소하고, 결과적으로 비행거리는 짧아집니다.
종이로켓에서 무게는 무게중심에서 항상 지구 중심 방향으로 작용합니다. 그리고 공력중심에서 항력은 비행방향과 반대방향으로 작용하며 양력은 상하좌우 등 비행하는 방향에 수직으로 작용합니다.
날고 있는 종이로켓에서 양력은 종이로켓을 회전시켜 자세를 변화시키는 힘으로 작용하고 무게중심은 회전축이 됩니다. 즉, 날개에서 발생하는 양력은 무게중심과 공력중심 사이의 거리를 반지름으로 하여 종이로켓을 회전시키는 힘으로 작용합니다.
종이로켓처럼 무게중심이 공력중심보다 앞쪽에 위치해 있으면 이 회전은 비행 자세를 운동 방향으로 유지시켜 주는 복원력으로 작용하여 자세 변화로 인해 생기는 항력의 증가를 억제하고 결과적으로 종이로켓이 더 멀리 날 수 있도록 도와줍니다.
비행하는 물체는 자세 변하면 항력이 증가하면 속도가 급격히 감소하고 지면으로 추락하는 현상이 발생할 수 있습니다.
이 현상은 종이를 단순히 긴 형태로 접어 날려보는 실험을 통해 쉽게 관찰할 수 있습니다. 단순하게 긴 형태로 접은 종이는 무게중심과 압력중심이 거의 같은 위치(종이의 중앙 부분)에 있어 비행 중 자세 변화에 대한 복원력이 없기 때문에 자세가 조금만 흐트러져도 항력이 크게 증가하고 이로 인해 속도가 급감하면서 곧 지면으로 떨어지게 됩니다.
반면에 종이로켓은 날개 구조로 인해 양력이 발생하고 무게중심과 압력중심 사이의 거리가 생기며 복원력이 작용하므로 비행 자세를 안정적으로 유지하며 더 멀리 비행할 수 있습니다.
비행하는 물체에서 양력에 의한 복원력은 공력중심이 무게중심보다 뒤쪽에 있을 때 발생합니다. 이때, 무게중심과 공력중심 사이의 거리가 멀수록 복원력은 더 크게 작용하여 물체가 자세를 더 잘 유지할 수 있게 됩니다.
