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자동차와 비행기의 심장, ‘엔진’을 만들어라!

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자동차와 비행기의 심장, ‘엔진’을 만들어라!

2016.10.01 09:00

섭섭박사님이 이번엔 자동차와 비행기 엔진 모형을 들고 오셨어요. 10명의 친구들이 50종류가 넘는 부품을 하나하나 조립하며 엔진이 어떤 일을 하는지 배웠답니다. 섭섭박사님과 함께 자동차가 어떻게 굴러가는지 알아볼까요?

 

서동준, 정한길 제공
서동준, 정한길 제공

실험 속 비밀! 자동차 엔진으로 에너지를 바꿔라!


비밀 ① 피스톤은 위아래로, 크랭크는 뱅글뱅글


엔진은 여러 종류의 연료를 이용해 기계를 움직이게 만드는 장치예요. 자동차의 경우, 엔진에서 휘발유나 경유 같은 연료를 태워 자동차를 움직이죠. 이를 위해 자동차 엔진은 크게 피스톤, 크랭크, 실린더, 흡배기 밸브, 타이밍 벨트 등으로 이루어져 있어요. 가장 중요한 피스톤과 크랭크가 어떻게 움직이는지부터 알아볼까요?

 

서동준, 정한길 제공
서동준, 정한길 제공

피스톤은 위아래로 움직이는 상하운동, 크랭크는 빙글빙글 도는 회전운동을 하는 부품이랍니다. 연료가 타면서 나오는 에너지가 피스톤을 위아래로 움직이게 하면 여기에 연결된 크랭크가 회전하기 시작해요. 그 결과 자동차 바퀴가 굴러가죠.


이건 자전거 페달을 밟는 것과 같은 원리랍니다! 자전거를 탈 때 한쪽 페달을 아래로 밟으면 페달은 원을 그리며 내려가고, 반대편 페달은 원을 그리며 올라오죠? 위아래로 움직이는 발의 상하운동과 페달이 빙글빙글 도는 회전운동이 동시에 일어나는 거예요.

 

서동준, 정한길 제공
서동준, 정한길 제공

비밀 ② 피스톤을 움직일 4가지


피스톤을 상하운동 시키면 바퀴까지 움직일 수 있겠죠? 피스톤이 상하운동 하는 방법을 알기 위해서는 피스톤을 둘러싼 부품들부터 정확히 알아야 해요!

 

자동차 엔진 모형을 만드는 기자단 친구들. - 서동준, 정한길 제공
자동차 엔진 모형을 만드는 기자단 친구들. - 서동준, 정한길 제공

피스톤은 ‘실린더’라는 둥그런 통 안에서 움직여요. 실린더 한쪽은 피스톤으로 막혀 있고, 반대쪽에는 두 종류의 출입구만 있지요. 하나는 연료가 실린더로 들어오는 ‘흡기밸브’이고, 하나는 실린더로 들어왔던 기체가 나가는 ‘배기밸브’랍니다. 그 사이엔 ‘전기 스파크’ 장치가 달려 있어요.


이 부품들과 연료가 힘을 합쳐 이제 피스톤을 상하운동 시킬 거예요!

 

자동차 엔진의 피스톤 운동. 기체 연료가 압축 후 폭발해 피스톤이 위아래로 움직이면 연결된 크랭크가 회전운동을 한다. - 어린이과학동아 제공
자동차 엔진의 피스톤 운동. 기체 연료가 압축 후 폭발해 피스톤이 위아래로 움직이면 연결된 크랭크가 회전운동을 한다. - 어린이과학동아 제공

비밀 ③ 꾹꾹 압축해서 펑!


피스톤을 움직이는 핵심 원리는 ‘압축’이랍니다. 가장 먼저 공기와 섞인 연료(기체)가 흡기밸브를 통해 들어오면 피스톤이 올라가 이 기체를 압축해요. 기체는 압축이 되면 밀도가 높아지고 동시에 온도가 올라가요. 휘발유나 경유 같은 연료는 그 자체로도 불이 붙기 쉽지만, 밀도와 온도가 올라가면 전기 스파크에 의해 순간적으로 폭발하면서 더 센 힘으로 피스톤을 밀어내요. 이 폭발적인 힘에 의해 피스톤은 다시 내려가죠. 폭발하고 남은 기체는 배기밸브를 통해 나가게 되고, 피스톤이 다시 올라가면서 첫 단계로 돌아간답니다.


보통의 자동차에는 피스톤이 일렬로 4개가 늘어서 있어요. 4개의 피스톤이 상하운동을 반복하면 크랭크가 회전운동을 해서 바퀴가 돌아가는 거랍니다.

 

엔진모형 만들기 - 서동준, 정한길 제공
엔진모형 만들기 - 서동준, 정한길 제공

 

GIB 제공
GIB 제공

보너스 실험! 제트엔진의 비밀


비행기는 어떻게 날 수 있을까?


비행기의 엔진인 제트엔진도 핵심 원리는 ‘압축’이에요. 다만 압축시키는 방법과 형태가 자동차 엔진과는 달라요.


제트엔진에서는 우선 커다란 엔진 팬을 통해 많은 공기가 엔진으로 들어와요. 엔진으로 들어온 공기는 점점 더 좁은 공간을 통과하면서 압축된답니다. 여러 개의 날개가 달린 블레이드가 이 압축 과정을 도와 줘요. 실린더처럼 기체를 직접 압축시키는 것은 아니지만, 블레이드의 날개가 공기를 한쪽 방향으로만 흐르게 하지요.

 

완성된 제트엔진 모형. - 서동준, 정한길 제공
완성된 제트엔진 모형. - 서동준, 정한길 제공

그 결과 공기는 넓은 공간으로 나오지 못하고 계속 좁은 공간을 향해서 갈 수밖에 없답니다. 뒤따라서 빠르게 들어오는 공기는 앞서 들어온 공기를 계속 밀어내면서 점점 더 압축시켜요.


이렇게 압축된 공기는 연소실에서 연료와 섞이면서 폭발하고, 폭발한 가스가 급속히 퍼지면서 엔진 밖에 있는 공기를 밀어내지요. 그 결과 비행기가 앞으로 나아갈 수 있답니다.

 

제트엔진 모형 만들기 - 서동준, 정한길 제공
제트엔진 모형 만들기 - 서동준, 정한길 제공

즐거운 실험! 진짜 엔진 같아요!


기자단 친구들은 장장 3시간 동안 자리에 꼼짝 않고 자동차 엔진 모형을 완성했어요. 모형을 완성하자 투명한 엔진 안으로 부품들의 움직이는 모습이 하나하나 자세히 보였답니다.


실험에 참가한 김혜윤 친구는 “나사를 조이는 게 많아 어려운 점도 있었지만 완성품을 보니 실제 엔진을 보는 것 같다”고 말했어요.

 

서동준, 정한길 제공
서동준, 정한길 제공

실험에 참가한 기자단 친구들은 자동차 엔진뿐만 아니라 제트엔진 모형도 하나씩 선물로 받았답니다. 어과동 창간 12주년을 축하하는 섭섭박사님의 선물이 정말 푸짐하죠? 참가자들이 홈페이지에 올릴 제트엔진 완성품도 많이 기대해 주세요!


도움| 토이트론

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