◎ 미리생각해보기

자이로드롭을 타본 적 있나요? 자이로드롭은 어떤 원리로 움직이는 걸까요?

자이로드롭은 전자기 유도원리를 적용한 놀이기구로, 엔진이 없습니다. 자이로드롭 탑승 의자 아래에는 긴 말굽자석이 붙어있고, 중앙의 큰 기둥에는 지상 23m 지점부터 맨 아래까지 도체인 구리, 철, 아연, 주석 등으로 되어 있는 커다란 금속판이 달려있습니다. 자이로드롭은 시속 약 95km로 내려오다가 지상 25m가 되는 지점에서 의자가 금속판이 있는 부분을 통과할 때 자석을 밀어내는 방향으로 전류가 흘러 멈추게 됩니다. 이렇게 우리 주변에는 자석이 다양하게 쓰이고 있습니다. 그럼 자석을 이용한 재밌는 장난감을 만들어 볼까요?

◎ 실험 전 주의사항!

1. 실험에 포함된 준비물은 실험 외 다른 용도로 절대 사용하지 않도록 합니다.

2. 실험용 도구와 시약으로 절대 장난치지 않도록 합니다.

3. 날카로운 도구를 사용할 때는 다치지 않도록 주의합니다.

4. 실험 후에는 주변을 정리하고 손을 깨끗이 씻습니다.

니크롬선과 전지가 잘 붙을 수 있도록 꼼꼼하게 붙여주세요.

◎ 실험 전 반드시 확인하기!

SZ-F-R-005(Rev.3)                                                                                                      호기심의 시작 사이언스존                                                                                                     A4(210mm ×297mm)

◎ 실험결과 및 생각해보기

1. 팽이를 레일에 올리기 전과 올린 후, 어떤 점이 달라졌나요?

⇒ 팽이를 레일에 올리기 전에는 LED에 불이 들어오지 않지만, 팽이를 레일에 올리면 레일

로 인해 회로가 연결되면서 LED에 7색 빛이 반짝입니다.

2. 자이로팽이에 적용된 과학적 원리에는 어떤 것들이 있을까요?

⇒ 자이로팽이가 레일을 따라 이동하는 데에는 자화, 중력, 위치에너지, 운동에너지, 관성

등의 다양한 과학 원리가 적용됩니다.

◎ 원리이해

1. 자화

자화를 이름 그대로 풀이하면 물체가 자석처럼 되는 것을 말합니다. 클립이나 머리

핀처럼 자석이 아닌 물질도 극을 갖지만, 불규칙적으로 위치해서 자력이 없습니다.

이 때, 자석을 가까이 하거나, 끝 부분을 체의 한쪽 끝에 자석을 갖다 대면 극들이

규칙적으로 배열되어 극을 가지게 됩니다. 자석을 가까이 가져간 클립이나 머리핀에   다른 클립이나 머리핀을 대면 붙는데, 이는 자석이 아닌 물체가 자석의 성질을 가지   게 되었기 때문입니다. 이 현상을 자화라고 하며, 이렇게 생긴 극은 시간이 지나거나   작은 충격을 가하면 금방 없어집니다.

자이로팽이 속 강한 자석으로 인해 레일에 닿은 팽이심이 자화되어 레일을 굴러가는   동안 떨어지지 않고 붙어있을 수 있습니다.

2. 자이로 팽이 속 숨겨진 과학

레일을 위에서 아래로 기울이면 팽이가 구르면서 내려옵니다. 이 때 팽이가 가지

는 에너지를 위치에너지라고 하며, 위치에너지에는 중력에 의한 위치에너지와, 탄성

에 의한 위치에너지가 있습니다. 레일을 구르는 팽이는 중력이 작용하는 공간에서     에너지를 가지며, 위에서 아래로 떨어지면서 일을 합니다. 팽이가 구르는 동안 위에

서 아래로 내려온 만큼의 위치에너지가 운동에너지로 전환되어 회전운동을 하게 되

며, 이렇게 에너지가 전환되면서 그 양이 일정하게 유지되는 것을 에너지 보존의 법

칙 이라고 합니다.

아래로 내려온 팽이는 계속 회전을 하며 좌-우로 움직이는데, 이는 관성과 관련이

있습니다. 외부로부터 아무런 힘이 작용하지 않을 때 정지해 있는 물체는 정지 상태

를 계속 유지하려고 하고, 운동하는 물체는 등속 직선 운동을 계속하려는 성질을 관

성이라고 합니다.

레일을 위 아래로 움직이며, 다음과 같은 과학적 원리를 발견해 보세요!

3. 일상생활에서 자석이 쓰이는 예- 자기부상열차

차세대 신 교통시스템의 대표주자로 손꼽히는 자기부상열차. 아직은 우리에게 생소한 이 열차는 영어로 자석(Magnet)과 공중부양(Leviation)의 합성어인 마그레브(M aglev)로 불리며, 독일에서 처음 개발되었습니다. 바퀴로는 마찰 한계

가 있어 시속 300km이상 속도를 내기 어려웠던 기존 열차의 단점을 보완해 자석으로 열차를 띄워 밀어내는 방식을 고안해 개발했습니다. 자기부상열차의 원리는 생각보다 간단한데, 자석이 같은 극끼리 밀치고 다른 극끼리 당기는 힘을 이용해 차량을 선로 위에 띄워 서 움직이게 하는 것 입니다. 열차에 붙은 전자석 코일에 전류를 흐르게 하면 자력이 생겨 철로 된 레일과 붙으려는 성질이

생깁니다. 전자석이 레일보다 아래에 설치 되어 있어 차량은 공중 부양을 이룬 것처럼 보이며, 전압을 조정해 열차와 레일 간격을 유지합니다. 열차 아래에 레일

과 나란히 달린 리니어모터에 전원을 공급하면 간격이 있는 레일에도 전류가 흘러

자기력이 발생합니다. 리니어모터와 레일이 서로 밀고(N-N극, S-S극) 당기며(N-S극, S-N극) 열차가 앞으로 나가게 됩니다.

태풍이 오거나 폭설이 쏟아져도 열차와 레일 사이의 간극 8mm를 지키는 게 자기

부상열차 기술의 핵심입니다. 부상 거리가 멀면 전기료 부담이 크고 가까이 하면 차

량과 레일이 접촉할 수 있어 최적의 간격을 찾은 게 8mm입니다. 전기료는 일반 바 퀴 열차보다 약 30%정도 더 들어가지만 수리비와 인건비를 감안하면 전체 운영비는 70% 수준으로 낮아져 더 효율적입니다. 우리나라에서는 2016년 2월 인천국제공항

을 출발해 영종도 일대 6.1km 구간을 운행하는 자기부상열차 ‘에코비’가 등장했습니

다.

이러한 자기부상의 원리를 이제는 엘리베이터에도 쓰일 예정입니다. 케이블 대신

자기부상 시스템으로 승강기를 더욱 높이, 수평과 대각선 방향으로 이동시킬 수 있

다고 합니다. 자기부상열차와 마찬가지로 에너지 효율도 대폭 향상된다고 하니, 영

화에서나 볼 법한 엘리베이터가 현실로 다가올 날도 멀지 않은 것 같습니다.

학습목표

자이로팽이를 만들어 보고, 팽이에 숨겨진 과학적

원리에 대해 알아봅니다.

실험날짜          년      월      일

학년   반    이름 :

자이로드롭을 타본 적 있나요? 자이로드롭은 어떤 원리로 움직이는 걸까요?

◎ 미리생각해보기

LED 2개, 페라이트자석 2개, 니크롬선 2개, 건전지 2개, 팽이고정핀 2개,

자이로레일 1개, 알루미늄테이프, 도안(우드락) 1장, 도안(EVA) 2장, 도안(스티커) 1장

※직접 준비해 주세요. (가위)

◎ 실험준비물

1. 팽이를 레일에 올리기 전과 올린 후, 어떤 점이 달라졌나요?

2. 자이로팽이에 적용된 과학적 원리에는 어떤 것들이 있을까요?

◎ 실험결과 및 생각해보기

◎ 새롭게 알게 된 사실

◎ 느낀점