에어로켓
보이는 과학 : IN LAB 009
작은 날개를 만들어 주면 멀리 날릴 수 있습니다.
공기의 저항(항력)을 최소화할 수 있는 유선형의 가는 물체에 작은 날개(안정익)를 달아주면 비행 중 자세 변화에 대한 복원력이 생겨 물체를 더 멀리, 더 안정적으로 날릴 수 있습니다.
또한, 압축공기를 이용하면 손으로 던지는 것보다 더 빠른 초기 속도를 만들어 줄 수 있고 관성을 이용해 더 멀리 날릴 수 있습니다. 압축공기의 밀어내는 힘을 이용해 발사되는 로켓을 에어로켓이라고 합니다.
에어로켓
K2 에어로켓 kit는 만들기가 쉬우면서도 작은 로켓이 보여주는 재현성 있는 실험이 가능한 과학 kit입니다. "K2 에어로켓"으로 검색하시면 쉽게 구할 수 있습니다.
키트 구성 : 로켓동체(투명 파이프), 발사기파이프(노란색 파이프), 펌프, 고무마개, 날개도안을 포함한 스티커, 설명서 1개씩 5인용으로 구성되어 있습니다.
절연테이프는 따로 준비한 겁니다. 절연테이프가 없으면 키트에 포함된 테이프(하얀색)를 사용해도 됩니다.
(1) 펌프에 발사기 파이프를 끼워 넣고 절연테이프로 고정시킵니다.
(2) 로켓동체에 고무 마게를 끼우고 절연테이프로 고정시킵니다.
(3) 스티커에서 날개도안을 떼어 접어주고 로켓동체 뒷부분에 붙여 줍니다.
(4) 나머지 스티커를 붙여 로켓을 완성합니다.
(5) 로켓을 발사기에 끼우고 발사해 보고 로켓의 비행을 관찰합니다.
에어로켓의 비행안정성
준비물 : K2 에어로켓 Kit, 접착식 편납 (낚시가게에서 쉽게 구할 수 있습니다.)
(1) 로켓동체에 고무 마게를 끼우고 테이프로 고정합니다. 발사기에 끼워 발사해 보고 로켓의 자세를 관찰합니다.
(2) 로켓동체 뒤쪽에 편납을 붙여 발사해 보고 로켓의 자세를 관찰합니다.
(3) 편납 바로 앞쪽에 날개를 붙여 발사해 보고 로켓의 자세를 관찰합니다.
보이는 과학
K2 에어로켓은 무게중심이 로켓의 중심부 근처에 위치하고 작은 꼬리날개(안정익)에 공력중심이 위치해 있어 비행 중 복원력이 작용합니다. 이로 인해 포물선을 그리며 안정적으로 비행할 수 있습니다.
K2 에어로켓은 펌프를 이용한 압축공기로 더 강한 관성력을 만들어낼 수 있으며 발사에 숙련된 기술이 필요하지 않아 약간의 연습만으로도 멀리 날릴 수 있습니다.
또한, 로켓의 안정익은 비행 중 복원력을 만들어주는 역할을 하지만, 날개의 크기가 지나치게 크면 공력이 항력으로 작용해 비행거리를 줄일 수 있습니다. K2 에어로켓에 장착된 작은 안정익은 비행 중 충분한 복원력을 제공하면서도 항력을 최소화해 로켓이 안정적인 자세로 더 멀리 비행할 수 있도록 돕습니다.
로켓이 비행 방향(운동 방향)에 대해 자세가 기울어지면 동체에는 공력이 발생하며 이는 항력으로 작용하게 됩니다.
이때 안정익이 기울어진 방향으로 공기의 흐름을 바꾸며 받음각을 형성하고 그 결과 공력이 발생합니다. 안정익의 크기나 받음각이 지나치게 크면 이 공력은 로켓의 속도를 감소시키는 항력으로 작용할 수 있습니다.
그러나 추진력이 충분하고 안정익이 형성하는 받음각이 작을 경우에는 공기의 흐름이 로켓이 기울어진 반대 방향으로 작용-반작용의 힘을 만들어 복원력이 생깁니다.
고무마개만 끼운 로켓의 무게중심은 고무마개와 테이프의 영향으로 약간 앞쪽에 위치하며, 공력중심은 로켓의 중앙 부근에 위치합니다. 무게중심이 공력중심보다 앞쪽에 있기 때문에 일반적으로는 안정적으로 잘 날아갑니다.
그러나 반복해서 날려보면 로켓이 갑자기 비행 방향을 바꾸며 속도가 급격히 줄어드는 현상을 관찰할 수 있습니다. 이는 무게중심과 공력중심 사이의 거리가 너무 가까워 로켓의 비행자세가 약간만 달라져도 복원력이 부족해지고, 그 결과 자세 변화에 따라 항력이 급격하게 증가하기 때문입니다.
로켓의 뒤쪽에 편납을 붙이면 공력중심의 위치는 변하지 않지만 무게중심은 뒤쪽으로 이동하게 됩니다. 이로 인해 공력중심이 무게중심보다 앞쪽에 위치하게 됩니다.
이러한 상태의 로켓은 비행 중 자세가 불안정해지며, 무게중심이 공력중심보다 앞쪽에 위치할 때까지 무게중심을 회전축으로 하여 회전하게 됩니다. 이 과정에서 자세가 급격히 변하고 항력이 증가하여 로켓은 멀리 날지 못하고 추락하는 현상을 보입니다.
편납을 붙인 로켓의 뒤쪽에 작은 안정익을 달아주면 무게중심의 위치는 변하지 않지만 공력중심은 안정익이 있는 로켓의 뒤쪽으로 이동하게 됩니다. 이로 인해 공력중심이 무게중심보다 충분히 뒤에 위치하게 되어 비행 중 자세 변화에 대한 복원력을 만들어낼 수 있습니다.
복원력을 가진 로켓은 비행 중 자세가 흐트러지더라도 스스로 균형을 회복할 수 있으며, 항력을 최소화하여 보다 안정적이고 멀리 비행할 수 있습니다.
로켓의 꼬리날개(안정익) - 공력중심을 뒤로 이동시킴
공력중심이 무게중심보다 뒤에 위치 - 복원력 생성
로켓의 복원력 - 비행자세 안정 + 항력 최소화 + 비행거리 증가
