전시 9개코스
타고 밀어 보는 힘
밀고, 당기고, 돌리는 힘이 커지고, 방향을 바꾸고, 균형을 이루는 모습을 롤러코스터의 첫 낙하에서 접은 종이비행기까지 모형으로 보여 줍니다.
놀이기구의 높이 에너지에서 시작해 회전과 기어, 들어 올리기를 지나 물과 공기 속의 힘으로 가고, 브레이크와 로봇 팔, 던진 비행기로 끝납니다.
이 과정의 전시는 모두 힘 하나와 그 힘으로 할 수 있는 일을 다룹니다. 롤러코스터는 높이를 속도로 바꾸고, 자이로스코프는 떨어지려는 무게를 느린 원운동으로 바꾸며, 기어와 도르래는 길고 약한 당김을 짧고 센 힘과 맞바꿉니다. 먼저 공식을 알아야 하는 것은 아닙니다. 전시마다 낙차, 기어, 줄 가닥 수 같은 숫자 하나를 바꾸면 결과가 바로 달라집니다.
뒤쪽 전시에는 유체와 마찰이 더해집니다. 배는 물이 배의 무게와 똑같은 힘으로 밀어 올리기 때문에 뜨고, 날개는 공기를 아래로 밀어 그 반작용으로 떠오르며, 디스크 브레이크는 움직임을 열로 바꿉니다. 전시마다 힘이 어디서 오고 에너지가 어디로 가는지 물어볼 만합니다. 마지막 전시들은 로봇 팔과 종이 한 장으로 사람이 힘을 일부러 다루는 모습을 보여 줍니다.
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그림 55 · 감각관롤러코스터 원리와 속도를 직접 만든 코스로 확인하기
초속 3 m로 42 m 꼭대기를 넘은 열차는 바닥에서 시속 99 km가 되는데, 그동안 열차를 민 것은 중력뿐입니다.
첫 낙차를 25 m로 낮추면 열차가 루프를 넘을 에너지가 없어 중간에서 멈추고 뒤로 굴러 내립니다.
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그림 46 · 원리관자이로스코프 원리: 돌고 있는 바퀴는 왜 넘어지지 않을까
1분에 3,000번 도는 바퀴는 축 한쪽 끝만 기둥에 걸쳐 놓아도 떨어지지 않고 2.8초에 한 번씩 기둥 둘레를 돕니다.
회전 속도를 3,000 rpm으로 두면 축이 떨어지지 않고 2.8초에 한 바퀴씩 받침 둘레를 돕니다.
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그림 04 · 원리관자전거 변속기와 기어비의 원리
50×11 기어에서는 페달 한 바퀴에 로드바이크가 9.57 m 나아가고, 34×32에서는 2.24 m 나아갑니다.
큰 앞 체인링과 가장 작은 뒤 스프로킷으로 50 대 11 기어를 만들면 페달 한 바퀴에 자전거가 9.57 m 나아갑니다.
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그림 39 · 원리관도르래와 유압 잭으로 무거운 것을 드는 원리
줄을 여섯 가닥으로 걸면 50 kg 상자를 82 N으로 들 수 있지만, 상자를 1 m 올릴 때마다 줄을 6 m씩 당겨야 합니다.
줄 가닥 수를 바꾸면 줄에 거는 힘과 상자가 1 m 오를 때 끌어당겨야 하는 줄의 길이가 서로 반대로 달라집니다.
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그림 36 · 원리관배는 왜 뜰까
1,900 t짜리 강철 배는 물에 뜨는데, 같은 무게의 강철을 덩어리로 뭉치면 곧장 바닥으로 가라앉습니다.
강철 덩어리를 켜면 배의 모양으로 뜨던 강철이 덩어리로 뭉쳐졌을 때 곧바로 바닥으로 가라앉습니다.
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그림 10 · 원리관비행기 뜨는 원리: 날개를 기울여 보는 양력과 실속
날개 위를 지난 공기는 아래쪽 공기보다 먼저 뒤끝에 닿습니다. 둘이 같은 시간에 만나지 않습니다.
흐름과 압력 색을 켜고 받음각을 올리면 날개 윗면 위의 공기 흐름과 압력이 달라집니다.
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그림 73 · 원리관디스크 브레이크와 ABS의 원리
시속 100 km에서 바퀴가 잠기면 마른 길에서도 51 m를 미끄러지지만, ABS가 바퀴를 계속 굴려 주면 같은 모형 자동차가 36 m 안에 섭니다.
마른 노면에서 시속 100 km로 달리다 ABS를 끄면 바퀴가 미끄러져 약 51 m, 켜면 36 m에서 멈춥니다.
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그림 63 · 원리관로봇 팔의 원리
6축 로봇 팔의 손끝을 250 mm/s로 옆으로 밀다가 공간의 어떤 선 옆을 지나면, 손목 관절 하나가 1초에 510°씩 돌아야 합니다.
J1부터 J6까지 관절을 하나씩 돌리면 팔의 어느 부분이 움직이고 집게가 얼마나 크게 휘두르는지 알 수 있습니다.
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그림 98 · 따라하기관종이비행기 접는 법과 고무동력기 날리기
접은 종이 한 장이 가장 멀리 난 거리는 98.43 m입니다. 2025년 12월 상하이의 실내에서 세운 기록입니다.
승강타를 조금 더 올려 접으면 기수가 들리고 활공이 느려지는 것을 비행 경로에서 볼 수 있습니다.