핸드피스(치과에서 충치를 치료할 때 사용하는 드릴)와 인공위성의 공통점은 무엇일까요?

두 개 모두 내부에 초정밀 베어링이 장착되어 있습니다. 베어링은 우리의 주변에서 매우 흔하게 사용되는데, 자동차는 100~150개 이상의 베어링이 장착되어 있으며 이 밖에도 각종 드릴, 롤러스케이트, 자전거, 요요, 세탁기, 비행기, 심지어 먼 우주의 인공위성까지 대부분의 기계에 사용됩니다. 보통 기계 안쪽에 자리 잡고 있어 우리가 평소에 베어링을 볼 기회는 많지 않지만, 베어링은 기계가 안정적인 능력을 발휘하기 위한 필수적인 부품입니다.

◎ 미리생각해보기

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

◎ 실험 전 주의사항!

1. 실험에 포함된 작은 부품이나 시약 등은 삼키지 않도록 주의합니다.

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

3. 실험용 도구와 시약으로 절대 장난치지 않도록 합니다.

4. 날카로운 도구를 사용할 때는 다치지 않도록 주의합니다.

5. 실험 후에는 주변을 정리하고 손을 깨끗이 씻습니다.

◎ 실험 전 반드시 확인하기!

LED 칩을 끼울 때, 기판의 납땜 부분에 손이 다치지 않도록 주의합니다.

3. 베어링에 볼트와 너트를 조립해 손잡이를 만들어 끼워주세요.	4. 1번 EVA에 베어링을 끼우고 손가락을 이용해 돌려보세요. 이 후, 베어링과 EVA를 분리해주세요.

양 쪽이 원형인 EVA에 페라이트 자석을 끼워주세요.	2. 양 쪽이 팔각형인 EVA에 LED 칩을 끼워주세요. LED 칩은 꼭 그림과 같은 위치로 끼워주세요.

◎ 실험방법

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

5. 1번 EVA와 2번 EVA를 서로 붙이고(자석에 칩이 달라 붙어요!) 베어링을 끼운 뒤 손가락을 이용해 돌려보세요.	6. 베어링을 1번 EVA와 분리한 후, EVA의 접착된 종이를 떼고, 2번 EVA를 붙여주세요.

7. 2번 EVA의 윗면에 스티커를 붙여주세요.	8. 베어링을 가운데 넣고, 스위치를 바꾸어 가며 스피너를 돌려보세요!

◎ 실험결과 및 생각해보기

1. 페라이트 자석을 끼운 EVA를 돌렸을 때와, 자석과 LED 칩을 끼운 EVA를 돌렸을 때, 어떤 차이가 있나요?

⇒ 피젯스피너의 회전 시간을 결정하는 요인은 크게 세 가지가 있습니다.
①베어링- 베어링은 종류(R188, 688, 608 등)와 소재(스틸, 세라믹, 하이브리드 등)

에 따라 회전 시간에 영향을 미칩니다.

②무게- 피젯스피너의 무게가 무거울수록 회전시간은 길어집니다. 하지만 무조건

무겁다고 해서 오래 도는 것은 아니며, 베어링과 날개 사이 무게의 조합이 중요합니

다.

③디자인- 피젯스피너는 날개 개수가 2개인 ‘바’ 형태와 3개인 ‘트라이앵글’ 형태가

일반적입니다. 이 외에도 날개 개수가 4개, 5개, 6개 등의 다양한 피젯스피너를 볼 수 있는데 이 디자인의 차이에 따라 회전 시간이 차이날 수 있습니다.

우리가 비교해 본 두 개의 피젯스피너는 회전 시간을 결정하는 요인 중 베어링과 디

자인이 같고 무게가 다릅니다. 자석만 있는 EVA를 돌렸을 때 보다(자석 무게 4.2g)

, 자석 과 LED 칩을 끼운 EVA를 돌렸을 때(자석 무게 4.2g+ LED 칩 무게 3.6g)더 오랜 시간 회전합니다.

◎ 원리이해

1. 베어링

베어링은 회전축(축: 회전하는 기계 부품의 중심축을 형성하거나 기계 부품의 하중을 지지하는 데 사용하는 기계요소)과 축의 지지대 사이 마찰을 줄여주는 기계요소로, 물체 간 운동을 원활하게 합니다. 이렇게 마찰을 감소 시켜서 얻는 장점은 다음과 같습니다.

-기계 부품의 위치를 고정한다.

-기계의 작동 효율이 향상되어 기계의 성능을 최대한 발휘하게 한다.

-마찰열에 의한 변형을 방지하여 기계의 고장을 없앤다.

베어링은 초소형부터 대형까지 다양한 크기로 제작되며, 영하 253℃에서 500℃까지 다양한 온도에서 사용됩니다. 초정밀 베어링은 1분간 약 40만 번 회전하며, 100

나노미터 이하의 오차범위를 가질 정도로 매우 안정적입니다.

2. 베어링의 역사

베어링은 고대 이집트인들의 무덤에서 평면 베어링으로 구성되어 있는 액체 윤활 주자와 썰매를 이용하여 돌을 이동한 그림이 발견되어 아주 오래 전부터 사용되었음

을 알 수 있습니다. 약 1500년 전 레오나르도 다빈치는 현재의 베어링에 가까운 구조를 고안하였으며, 18세기 산업혁명에서 시작된 기계공학 분야의 발전은 베어링의

발달에 결정적인 역할을 하게 되었습니다.

3. 베어링의 종류

-볼베어링: 가장 흔히 볼 수 있는 베어링으로 전동체로 원형의 볼을 사용하는 구름 베어링의 일종이며 LED 피젯스피너 만들기에 사용됩니다. 두 개의 링 사이에 볼이

들어 있어 링과 점 접촉을 합니다. 점 접촉을 하는 만큼 구름 저항이 적습니다. 접  촉점이 작기 때문에 무게의 영향을 크게 받으며, 고속에서 진동과 소음이 발생합니

다. 볼 베어링의 구조를 살펴보면 다음과 같습니다.

볼 베어링은 또한 내부의 회전을 지속하기 위해 사용되는 오일의 종류에 따라 구리   스타입과 오일타입으로 나눌 수 있습니다.

4. 피젯스피너

피젯스피너는 피젯(fidget, 초조하거나 지루함, 흥분 등으로 인해 꼼지락거림)과 스

피너(spinner, 회전하는 것)의 합성어입니다. 정서적 불안 증세를 보이거나 집중력이

산만한 사람에게 유용한 이 장난감은 1997년 미국의 캐서린 해팅어(Catherine Hettinger)에 의해 발명되었습니다. 피젯스피너는 직렬연결된 회전자와 볼 베어링으로 구성되어 있으며, 날개의 개수가 2개인 2-스포크 디자인형, 둥근형, 날개의 개수가 3개인 3-스포크 디자인형이 가장 대중적이며, 이 외에도 다양한 모양이 판매되고 있습니다.

학습목표

불이 반짝거리는 LED 피젯스피너를 만들어 회전 시간을 비교해 보고, 베어링과 피젯스피너에 대해 알아봅니다.

실험날짜          년      월      일

학년   반    이름 :

핸드피스(치과에서 충치를 치료할 때 사용하는 드릴)와 인공위성의 공통점은 무엇일까요?

◎ 미리생각해보기

EVA 2개, 베어링 1개, 볼트 1개, 너트 1개, LED칩 2개, 페라이트자석

2개, 스티커

◎ 실험준비물

1. 페라이트 자석을 끼운 EVA를 돌렸을 때와, 자석과 LED 칩을 끼운 EVA를 돌렸을 때, 어떤 차이가 있나요?

◎ 실험결과 및 생각해보기

◎ 새롭게 알게 된 사실

◎ 느낀점