간단한 도구와 재료만으로 공중에 둥둥 떠있는 탁구공을 본 아이의 반응은 엄마를 춤추게 합니다. 더 재밌는 실험을 준비할 수 있는 원동력이 되죠. 여러분도 간단하게 준비해 아이들과 즐거운 시간을 보내면서 과학에도 한층 더 가까워지는 시간을 보내보는 게 어떠세요? 오늘은 빨대와 탁구공만을 이용해 들숨과 날숨을 인지하고, 좀 더 나아가 공기의 기압 차이와 베르누이 법칙에 대해서도 알아보는 실험을 해보려고 합니다.
1. 공중에 뜨는 마술 공 실험 준비물
- 주름이 있는 빨대 (빨대가 구부러질 수 있어야 함)
- 탁구공 또는 작은 스티로폼 공 (빨대 위에 올라갈 수 있는 크기의 작고 가벼운 구 모양이어야 함)
- 가위
2. 공중에 뜨는 마술 공 실험 과정
먼저 주름이 있는 빨대를 구부려 90도로 만들어줍니다. 구부러졌을 때 짧은 쪽의 빨대 끝을 3등분 또는 4등분으로 잘라주세요. 저는 3등분으로도 잘라봤고 4등분으로도 잘라봤는데, 4등분으로 잘랐을 때 빨대가 좀 더 안정적으로 공을 받쳐주는 느낌이었습니다. 3등분으로 자르면 공을 받치는 빨대의 단면이 좀 더 두껍고 4등분으로 자르면 공을 받치는 빨대의 단면이 얇아지지만 3개의 받침일 때 공이 더 잘 굴러 떨어지더라고요. 어차피 빨대의 재질 자체가 흐물거리지 않고 꽤 탄탄하니 자른 단면이 얇아지더라도 3등분보다는 4등분이 좋은 것 같아요. 자르는 깊이는 약 1cm 정도면 충분합니다. 빨대 끝을 잘랐다면 잘 펼쳐서 그 위에 공을 올려주세요. 저는 탁구공이 없어 가벼운 스티로폼 공을 사용했습니다. 구 모양의 가볍고 작은 공이라면 무엇이든 사용할 수 있으니 참고해 주세요. 마땅한 것이 없다면 집 근처 가까운 문구점이나 다이소 등에서 손쉽게 스티로폼 공을 구할 수 있답니다. 이제는 아이에게 빨대를 입에 물고 구부러진 쪽의 펼쳐진 부분에 공을 놓아두도록 가이드해 주세요. 이때 중심을 잘 잡지 않으면 공이 계속 떨어질 텐데 이때는 엄마나 아빠가 도움을 주는 것이 좋습니다. 초등 이하의 아이들은 중심을 잡아 공 올려두는 것을 어려워할 수 있어요. 더구나 빨대를 입에 문 채 가벼운 공을 중심 잡아 올려두어야 하니 아이 혼자서는 어려운 작업일 수 있어요. 여기까지 준비가 되었다면 이제는 실험을 시작하면 됩니다. 숨을 크게 들이쉬고, 빨대를 통해 숨을 천천히 그리고 점점 세게 후! 하고 불어주세요. 공이 흔들흔들하며 위로 위로 올라갈 거예요!
3. 공중에 뜨는 마술 공의 과학적 원리
이 실험에서 가장 쉽게 접할 수 있는 과학은 들숨과 날숨의 호흡에 대한 개념입니다. 사람은 누구나 쉬지 않고 계속 숨을 쉽니다. 항상 당연하게 매 순간 숨을 쉬기 때문에 어른인 우리도 때론 망각하곤 하지요. 아이에게 우리가 매 순간순간 숨을 쉬고 있고 그것이 호흡임을 알려주세요. 코와 입으로 숨을 쉬면 들이마신 공기는 허파로 들어갑니다. 허파는 공기 중에서 산소를 걸려 내고 산소는 피를 타며 몸속 구석구석을 돌게 되죠. 그러면서 우리 몸에 에너지를 전달합니다. 이것이 호흡입니다. 이때 숨을 들위 쉬면 허파가 커지면서 가슴이 불룩해지는데 아이와 함께 들숨을 쉬어보고 '들숨'에 대해서도 인지시켜 주세요. 반대로 숨을 내쉬면 허파가 줄어들면서 가슴이 납작해지는데 이 또한 마찬가지로 아이아 함께 날숨을 뱉으며 '날숨'에 대해서도 인지시켜 주세요. 아까 실험에서 공을 마술처럼 띄운 것은 이 들숨과 날숨을 통해 이루어진 것입니다. 들숨을 통해 공기를 허파에 모으고 허파에 빵빵하게 들어있던 공기를 다시 날숨으로 내뱉으며 그 공기가 공을 위로 들어 올리게 된 것이라고 설명해 주세요. 조금 더 어렵지만 이 실험의 과학적 원리를 설명할 수 있는 다른 개념을 한 번 알아볼까요? 바로 공기의 속도와 압력의 차이로 인해 공이 띄워진다는 베르누이 법칙입니다. 빨대를 통해 공기를 불어넣으면 스티로폼 공 표면을 통과하는 공기의 속도가 증가합니다. 공기의 속도가 빨라지면 압력은 감소하게 되죠. 이로 인해 공 외부의 압력은 높아지고 공 가까이에서의 압력은 낮아지는 압력 차이가 발생합니다. 공 외부의 더 높은 압력이 공 주변의 더 낮은 압력을 밀어내기 때문에 공은 위쪽 방향으로 힘을 받게 됩니다. 이 힘은 공이 공기 흐름에 떠오를 수 있도록 해줍니다. 이때 공은 중력을 거스르는 것이 아니라 움직이는 공기에 의해 생성된 압력 차이로 인해 위로 올라간다는 것을 기억해 주세요..
4. 공기의 압력 차이로 인해 공중에 뜨는 물체의 또 다른 예시
공기의 속도와 압력 차이로 물체를 띄울 수 있다는 것을 간단한 실험을 통해 배웠죠? 그렇다면 우리 실생활에서 이 베르누이의 법칙이 적용된 또 다른 예시에는 어떤 것이 있는지 알아볼까요? 먼저 비행기입니다. 비행기의 날개는 상부가 하부보다 더 길게 만들어져 있습니다. 이러한 형태 때문에 비행기가 전진하면서 날개를 통과하는 공기는 상부를 통과하는 공기가 하부를 통과하는 공기보다 빠르게 움직입니다. 베르누이의 법칙에 따르면 빠르게 움직이는 공기의 압력은 느리게 움직이는 공기의 압력보다 낮아집니다. 따라서 비행기의 날개 상부의 압력은 하부의 압력보다 낮아지게 되는데 이 차이가 '양력'을 생성시키게 되며 이 양력이 비행기를 하늘로 띄우는 주된 동력이 됩니다. 물론 실제 비행기의 원리는 이 보다 더 복합적입니다. 예를 들어 엔진의 추진력, 공기 저항, 중력 등도 비행에 큰 영향을 미치죠. 하지만 조금씩 조금씩 반복적으로 설명을 듣고 비행기를 볼 때마다 공기의 압력과 속도에 대해 생각한다면 아이들의 생각 주머니는 점점 더 커지게 될 거예요. 비행기에 대한 적용이 어렵다면 종이비행기를 한번 생각해 볼까요? 종이비행기라면 집에서 바로 접어 날려보면서 과학적 원리를 설명할 수도 있겠네요. 종이비행기를 접을 때 날개를 살짝 상부로 향하게끔 구부려주세요. 그럼 베르누이의 법칙을 이해하기가 더 쉬울 거예요. 비행기를 날리면 비행기가 전진하면서 날개를 통과하는 공기는 상부를 통과하는 공기가 하부를 통과하는 공기보다 빠르게 움직입니다. 베르누이의 법칙에 따르면 빠르게 움직이는 공기의 압력은 느리게 움직이는 공기의 압력보다 낮아진다고 했었죠? 그리고 그 압력 차이에 의해 빨대 위에 있던 스티로폼 공이 위로 올라가게 됐었죠. 종이비행기도 마찬가지입니다. 날개 상부와 하부의 공기의 속도가 다르니 압력의 차이가 발생하게 되고 그 압력 차이가 결국 종이비행기를 공중에 띄우게 되는 것이죠.
오늘도 집에서 간단하게 해 볼 수 있는 실험으로 그 안에 담긴 과학적 원리를 배워보았습니다. 실생활에서 또 다른 예시들을 찾아보는 것도 굉장히 중요하고 효과적인 학습 방법이니 아이들과 또 다른 예시를 찾아보며 즐거운 시간 보내세요!
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