탐구 프로젝트 · 제67회 전국과학전람회 (물리) 국무총리상

사람마다 그네를 다르게 타는 이유는?

앉아서 그네를 탈 때 사람들은 저마다 다른 때에 몸을 접습니다. 선행 연구는 그네가 끝에 이르렀을 때 몸을 접어야 한다고 했지만, 실제로 타 보니 가운데를 지날 때 접는 사람도 있었고 그래도 그네는 잘 올라갔습니다. 이 탐구는 그 차이가 몸의 무게중심 위치 때문이라고 생각하고, 앉아서 그네 타는 로봇 ‘근근이’를 만들어 무게중심 위치와 몸을 접는 때를 바꿔 가며 진폭이 커지는 빠르기를 쟀습니다. 그리고 사람들이 경험으로 익힌 그네타기 방법이 이미 자기 체형에 맞는 최적의 전략일 수 있음을 보였습니다.

탐구 요약

제67회 전국과학전람회 1129 전시 차트: 사람마다 그네를 다르게 타는 이유는? 무게중심 위치에 따른 그네타기 전략 차이 탐구
제67회 전국과학전람회 전시 차트 · 누르면 PDF로 크게 볼 수 있습니다

전시 부스

제67회 전국과학전람회 1129 전시 부스: 위에는 전시 차트, 아래 유리 상자 안에는 그네 타는 로봇 근근이 8호, 옆에는 전원 공급 장치와 근근이 1호, 아두이노 코드, 작동 설명서, 각도 기호 안내판12345678
제67회 전국과학전람회 전시 (국립중앙과학관) · 누르면 크게 볼 수 있습니다

차트 아래 유리 상자 안에서 근근이 8호가 직접 그네를 타고, 처음 만든 근근이 1호와 프로그램, 작동 설명서를 함께 놓았습니다.

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    전시 차트

    탐구 동기부터 결론까지 한 장에 담은 차트. 위의 탐구 요약과 같습니다.

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    근근이 8호

    유리 상자 안에서 직접 그네를 타며 진폭을 키웁니다 (아래 부스 영상).

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    전원 공급 장치

    근근이의 서보모터에 전기를 대는 외부 전원

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    근근이 1호

    과학상자로 처음 만든 그네 타는 로봇

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    아두이노 코드

    근근이를 움직이는 프로그램을 인쇄해 두었습니다.

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    근근이 작동 설명서

    근근이를 당겼다 놓아 그네를 태우는 순서와 주의할 점

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    각도 기호 안내

    그네가 연직선과 이루는 각 θ, 몸이 그네 줄과 이루는 각 φ

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    탐구일지와 선행 연구

    탐구하며 쓴 일지와 참고한 논문을 묶은 파일

세 가지 탐구

근근이 8호: 알루미늄 틀에 매단 그네에 외부전원, 서보모터, 게이트 센서 이름표를 붙인 사진
탐구 과제 1 · 모형 제작그네 타는 로봇 ‘근근이’

사람이 직접 타서는 몸을 접는 때를 매번 똑같이 맞출 수 없어, 서보모터로 몸을 접었다 펴는 로봇을 만들었습니다. 센서로 그네가 가운데를 지나는 때를 알아채 정해 둔 때에 몸을 접고, 머리와 발에 붙인 자석 개수로 무게중심을 옮깁니다. 고쳐 만들기를 거듭해 전람회에는 ‘근근이 8호’로 나갔습니다.

센서 + 서보모터 + 자석

바닥 검은 판의 길이를 ①~④로 바꿔 근근이가 몸을 접는 위치를 조절하는 모습
탐구 과제 2 · 전략 비교언제 몸을 접어야 할까?

가운데를 지난 뒤 반주기의 몇 %를 기다렸다 몸을 접을지로 그네타기 전략을 나누고, 자석을 옮겨 무게중심을 회전축 쪽과 상체 쪽 두 가지로 바꿨습니다. 그네가 흔들린 각도의 극대점을 이어 그은 직선의 기울기로 진폭 증가율을 비교했습니다.

전략 × 무게중심 위치 2가지

체중계에 손을 짚고 엎드린 사람에게 무게중심과 두 수직항력, 거리를 표시한 자유물체도 사진
탐구 과제 3 · 거꾸로 확인실제 그네타기 돌아보기

그렇다면 가운데에서 몸을 접던 사람은 무게중심이 상체 쪽에 있지 않을까? 실제로 그네를 탄 두 사람이 체중계에 손을 짚고 엎드린 자세로 무게중심 위치를 쟀습니다.

가운데에서 접는 사람 = 무게중심이 상체 쪽

근근이 1호: 과학상자로 만든 작은 그네에 아크릴 판 몸을 단 로봇, 앞과 옆에서 본 모습
근근이 1호 · 과학상자로 만든 작은 그네. 센서 없이 정해 둔 주기로 몸을 움직여, 그네 주기와 0.01초만 어긋나도 진폭이 커지지 않았습니다.
근근이 4호: 알루미늄 틀에 매단 큰 그네와 아래의 휜 흰 판
근근이 4호 · 알루미늄 틀과 베어링으로 그네를 키우고, 바닥의 검은 판을 IR 센서로 읽어 몸을 접습니다. 머리와 발의 자석으로 무게중심을 옮깁니다.
근근이 8호: 알루미늄 틀에 매단 그네와 바닥의 눈금 판, 옆의 전원 공급 장치
근근이 8호 · 게이트 센서로 가운데를 지나는 때를 알아채고 외부 전원으로 서보모터를 움직입니다. 전람회에 나간 근근이입니다.

결론

무게중심 위치에 따라 최적의 전략이 다르다

무게중심이 회전축에 있으면 돌림힘의 작용·반작용 효과만 있어 끝에서 몸을 접을 때, 상체에 있으면 무게중심이 올라가는 효과까지 더해져 가운데에서 몸을 접을 때 진폭이 가장 빨리 커졌습니다.

사람은 이미 자기에게 맞게 타고 있었다

어릴 때부터 경험으로 익힌 그네타기 방법이 역학적으로도 자기 체형에 맞는 최적의 방법일 가능성을 찾았고, 간단한 측정으로 확인했습니다. 더 많은 사람을 재 보고, 실제 그네 줄로도 실험해 보는 것이 다음 과제입니다.

영상

전람회 발표 영상 · 코로나19로 발표를 영상으로 대신했습니다. 학생들이 탐구 동기부터 결론까지 직접 설명합니다 (4분 56초, 소리 있음)
전시장의 근근이 8호 · 국립중앙과학관 전시 부스에서 그네를 타는 근근이 (8초, 소리 없음)
국립중앙과학관 수상작품 설명 영상 · 전시 부스 앞에서 학생들이 직접 설명합니다 (5분 41초) · YouTube에서 보기

언론 보도

2021.11.9 · 정책브리핑제67회 전국과학전람회 심사결과 발표 (국립중앙과학관) ↗ 2021.11.10 · 더퍼블릭올해의 전국과학전람회 충북이 대통령상·국무총리상 휩쓸어 ↗

자료

작품설명서 표지
PDF · 31쪽
작품설명서 그네타기의 역학과 선행 연구, 실제 그네타기 영상 분석, 그네 타는 로봇 근근이 1~8호 개발, 무게중심 위치에 따른 전략별 진폭 증가율, 실제 사람의 무게중심 측정
작품요약서
PDF · 1쪽
작품요약서 탐구 전체를 한 쪽에 정리한 요약입니다.

국립중앙과학관 전국과학전람회 통합검색에 공개된 자료입니다. 국립중앙과학관 게시물 보기 → · 지도교사의 지도논문: 통합검색에서 보기 →

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