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종이와 달걀로 무거운 선반을 받쳐라!

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2017년 11월 02일 11:30 프린트하기

선선한 바람이 부는 가을 저녁, 섭섭박사님이 재밌는 어과동을 읽고 있었어요. 그 순간!
‘끼리리릭-’
옆을 보자 책장이 서서히 쓰러지고 있었어요! 아무래도 부실했던 다리가 부러진 것 같아요. 섭섭박사님이 손에 쥘 수 있는 건 얇은 종이와 달걀뿐. 어떻게 하면 무거운 선반을 바로 세울 수 있을까요?

 

GIB 제공
GIB 제공

섭섭박사의 힌트

무거운 걸 떠받치려면 어떻게 해야 할까?


‘백지장도 맞들면 낫다’라는 속담이 있어요. ‘쉬운 일이라도 협력하면 훨씬 쉽다’는 뜻이지요. 이 속담은 우리의 생활뿐만 아니라 과학에도 적용되는 말이랍니다. 무거운 물체를 떠받치는 데는 무조건 강한 힘만 필요한 것이 아니라 작은 힘이 여럿이 모여도 가능하거든요!

 


힌트 하나. 중력의 크기만큼 떠받쳐라!


모든 물체는 가만히 놔두면 바닥으로 떨어지려고 해요. 지구상에서 모든 물체는 지구 중심을 향하는 중력을 받기 때문이지요.


강 위의 다리를 한번 생각해 볼까요? 다리 역시 중력을 받고 있어요. 하지만 다리는 떨어지지 않고 기둥 위에 그대로 있지요. 이것은 다리 기둥이 중력과는 반대 방향으로 다리를 떠받치고 있기 때문이에요. 다리 무게 만큼의 힘으로 말이지요.


이처럼 다리가 누르는 힘과 기둥들이 떠받치는 힘이 같을 때 비로소 다리는 기둥 위에 고정될 수 있답니다.

 

어린이과학동아 제공
어린이과학동아 제공

힌트 둘. 힘을 모아 떠받쳐요!


만약 다리의 무게가 1000t이라고 하면 그 아래 기둥들은 1000t만큼의 무게를 떠받칠 수 있어야 해요. 그런데 이때 기둥 하나하나가 모두 1000t의 무게를 견뎌야 하는 것은 아니랍니다. 각 기둥의 떠받치는 힘이 모두 합쳐서 1000t이면 다리를 떠받칠 수 있지요.


그래서 기둥 하나가 버틸 수 있는 힘이 약하더라도 여러 개를 놓으면 다리를 떠받칠 수 있답니다. 이를 ‘힘의 분산’이라고 하지요.


인류는 선사시대부터 여러 개의 기둥으로 건축물을 짓는 등 힘의 분산을 생활에 이용해 왔답니다.

 

GIB 제공
GIB 제공

실험 방법

얇은 종이로 책을 떠받쳐라!

※ 실험할 때는 꼭 보호 장비를 착용하고, 안전에 유의하세요!


<어린이과학동아>의 독자들이 선반을 다시 바로 세워야만 하는 섭섭박사님을 위해 여러 가지 아이디어를 보내 주었어요. 블로그와 홈페이지에 올라온 다양한 방법 중 몇 개를 뽑아서 직접 실험해 보았지요. 섭섭박사님은 종이와 달걀로 선반을 바로 세울 수 있을까요?

 


실험 방법 하나. 가장 튼튼한 기둥 모양은?

제안 독자 : 강보배, 이정주

 

어린이과학동아 제공
어린이과학동아 제공

준비물 : 4절 도화지, 투명 테이프, 어린이과학동아, 풀, 가위
➊ 4절 도화지를 삼등분해서 자른다.
➋ 삼등분된 도화지로 원기둥, 사각기둥, 삼각기둥을 만든다.
➌ 각 기둥에 <어린이과학동아>를 한 권씩 올려서 어떤 모양의 기둥이 가장 많은 무게를 버티는지 비교해 본다.

 

 

 

원리

무거운 무게를 버티기 위해서 기둥의 모양도 중요하다. 기둥 모양에 따라 버틸 수 있는 무게가 각기 다르기 때문이다. 이 실험에서는 원기둥이 16권, 사각기둥이 7권, 삼각기둥이 5권을 버티면서 원기둥이 가장 큰 무게를 견딜 수 있었다. 왜 그럴까?


기둥 위에 물체를 올리면 무게는 주로 기둥의 꼭지점에 집중된다. 그래서 삼각기둥은 세 개의 꼭지점에, 사각기둥은 네 개의 꼭지점에 무게가 나눠진다.


책의 무게를 나눠 받을 꼭지점이 많아질수록 각 꼭지점이 버텨야 할 무게는 줄어든다. 이 때문에 꼭지점이 한 개 더 많은 사각기둥이 삼각기둥보다 더 무거운 무게를 지탱할 수 있다. 원기둥은 꼭지점이 무한하다고 할 수 있어서 다른 두 기둥보다도 더 많은 책의 무게를 버틸 수 있다.

 

어린이과학동아 제공
어린이과학동아 제공

실험 방법 둘. 달걀 껍데기로 10kg을 견뎌라!

제안 독자 : 김지영, 최연준

 

어린이과학동아 제공
어린이과학동아 제공

준비물 : 달걀 4개, 투명 테이프, 가위, 책 여러 권
➊ 달걀 밑 부분을 뚫어서 내용물을 빼낸다.
➋ 달걀 가운데를 테이프로 두르고 가위로 잘라낸다.
➌ 반으로 잘린 달걀 4개를 바닥에 놓고 책을 쌓아 올린다.

 

 


원리

고속도로 터널, 고궁의 다리, 그리고 여러 서양 건축물들의 입구에는 공통점이 있다. 바로 모양이 ‘아치형’이란 점이다. 아치형은 반원 모양으로, 무거운 무게를 받치는 데 가장 적합하다고 알려져 있다. 아치의 맨 윗부분에서 수직으로 받은 힘이 곡선을 따라 사방으로 분산되기 때문이다.(아래 그림) 이렇게 분산된 힘은 양쪽의 기둥으로 나눠지면서 기둥 사이의 구조물이 받는 부담을 줄여 준다.


실험에서 매우 약한 달걀 껍데기가 무거운 무게를 견딜 수 있는 것도 아치형이기 때문이다. 달걀 껍데기의 두께는 0.5mm도 채 되지 않지만, 아치형 덕분에 1개 당 수kg의 무게를 버틸 수 있다.


아치 모양은 인공 구조물뿐만 아니라 우리 인체의 곳곳에도 숨어 있다. 대표적으로 발바닥은 신체의 무게를 고스란히 받는 곳으로, 아치형 구조를 하고 있다. 그래서 몸무게를 효과적으로 나누어 몸을 지탱할 수 있다.

 

어린이과학동아 제공
어린이과학동아 제공

다음 실험 미션

라이터와 성냥 없이 불을 피워라!


섭섭박사님은 친구들과 추운 겨울을 앞두고 캠핑장으로 놀러갔어요. 드디어 찾아온 대망의 바비큐 타임! 그런데 이게 웬일? 누구도 라이터와 성냥을 가져오지 않은 거예요. 해가 완전히 지기 전에 불을 피워야 할 텐데…. 라이터와 성냥 없이 불을 피울 방법 없을까요? 다양한 방법을 어린이과학동아 홈페이지(kids.dongascience.com)에 올려 섭섭박사님을 도와 주세요.

 

어린이과학동아 제공
어린이과학동아 제공
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