즐거운 인생, 즐거운 물리

 오랜세월동안 사람들은 물체가 왜 바닥으로 떨어지는가에 대해 궁금증을 가지고 있었고 이와 함께 가진 궁금증은 “어느 물체가 더 빨리 떨어지가?” 였다.

힘과 공기저항이라는 개념을 가지고 있지 않은 대부분의 학생들은 경험적으로, 직관적으로 무거운 물체가 먼저 떨어진다고 생각한다. 수업시간에 학생들에게 무거운 물체던, 가벼운 물체던 같은 중력장 안에서 공기저항을 제외하면 동시에 떨어진다는 것을 배운 학생들은 수업시간에는 대답을 잘 하지만 실제 상황으로 물어보면 다시 고민을 하는 모습이 보인다. 칠판 속의 물체들은 같이 떨어진다고 생각하지만 칠판속의 물체는 칠판 속에 존재하는 것이고 실제물체는 그 나름대로 존재하기 때문이다. 실제 물체도 무거운 물체이던 가벼운 물체이던 같이 떨어진다는 것을 보여주어야 한다. 아래와 같은 간단한 실험을 통해 학생들의 개념 변화를 도울 수 있다.

실험1. 같은 크기로 자른 휴지 두조각중 어떤 것이 먼저 떨어지는가?

결과1. 두개 동시에

이유1. 질량이 같기 때문에

실험2. 휴지를 하나는 동그랗게 뭉친다. 어떤 것이 먼저 떨어지는가?

결과2. 동그랗게 뭉친것

이유2. 공기저항이 작아서

질문3. 공기저항은 어떤것에 비례하는가?

대답3. 표면적, 속도 등

질문4. 휴지보다 표면적이 큰 책과 휴지 중에서 공기저항은 누가 더 큰가? 

대답4. 책

실험5. 책과 휴지중에 먼저 떨어지는것은?

결과5. 책

이유5. 공기저항은 책에 더 많이 작용했지만 그것보다 책에 작용하는 중력이 훨씬 컸기 때문에.

질문6. 만약 휴지에 공기저항이 작용하지 않는다면?

대답6. 동시에 떨어진다.

실험6. 휴지를 책 아래에 두고 낙하

결과6. 사기꾼이라는 학생의 비난

실험7. 휴지를 책 위에 두고 낙하

결과7. 휴지와 책 동시에 낙하

레이저 제품을 보다보면 표지가 붙어있고 

레이저 클래스1, 클래스 2 등이 표시가 되어있다.

각 클래스는 레이저 노출에 따른 인체의 영향을 단계별로 표시한 것인데 1이 가장 약한 단계 4가 가장 강한 레이저 단계이다.

클래스1 (1급 레이저제품) : 제품자체가 근원적으로 안전하게 설계된 제품 으로서 주어진 사용조건에서 1 급 노출방출한계를 초과하는 수준으로 방출될 수 없는 제품.

클래스2 (2급 레이저제품) : 가시광(400 700nm)을 방출하고 연속파나 펄스 모드에서 작동하는 낮은 출력의 레이저제품으로써 레이저에 노출시 보통 눈을 깜박이는 반 사작용 등을 유발시키는 수준의 제품.

클래스3 (3급 레이저제품) : 3A, 3B로 나뉘며, 3A 급 제품은 가시광 (400 700nm)에서는 2 급 노출방출한계의 5 배 이하이고, 그밖의 파장에서는 1 급 노출방출한 계의 5 배 이하의 수준을 말하며, 3B 급 제품은 직접 빔을 관찰시 위험한 수준의 제품.

클래스4(4급레이저제품) : 3B 급 노출방출한계를 넘는 고출력 수준의 제품.

일반적으로 볼수 있는 레이저 제품은 클래스1 이다. 레이저를 사용하는 광 마우스나 CD롬 등이 이에 해당된다.

약한 출력의 레이저 포인터의 경우 클래스2이다. 영향성은 낮다고 보이지만 노출될경우 시력에 영향을 줄 수 있으니 조심해야한다.

클래스2 사진

클래스 3을 넘어서는 제품의 경우 일반인들이 쉽게 구하지 못하게 되어있으며 실험, 제조, 의료 등의 특수 목적으로 사용된다. 이러한 레이저들은 반사되거나 심지어 산란되는 빛에도 영향을 미칠 수 있다.

물이 가득 찬 양동이를 빙글 빙글 돌려도 물이 쏟아지지 않는다.

양동이 안의 물은 바깥쪽으로 원심력(관성력의 일종)을 받기 때문이다.

만약 원심력이 중력을 이기지 못할 정도로 양동이를 천천히 돌리면 물은 당연히 쏟아진다.

그런데 돌리는 것을 보다보면 쏟아지지는 않는데, 양동이 안에서 본 입장에선 어떨까?

줄을 매단 접시와 컵, 빨간 색소를 탄 물을 가지고 실험을 해보았다.

화질은 720p 60fps 로

Vertical-Acceleration-Demo-Manual-SF-9339.pdf

아이들이 자판기 앞에서 소란을 피우며 놀고있길래 가까이 갔더니 자판기 두대를 만지면 전기가 온다며 재밌게 놀고 있었다...

얼른 테스터기를 가져와서 전압이 얼마나 되는지 확인 해 보았다.

문제의 자판기

두 자판기 동전 투입구에 연결하여 측정하였다.

교류 160V 정도

손으로 접촉하여 보니 지면과의 전위차도 상당하다.

아이들이 장난치지 않도록 교육하고 매점관리하시는 분께 알려드려 고치도록 하였다.

건조한 상태의  손과 손사이 저항은 100kΩ 정도 된다.160V의 전위차가 생기면 1.6mA의 전류가 흐르는데 이정도 수치는 둔감한 사람도 느낄 수 있는 정도이고 만약 저항이 이보다 조금 낮으면 통증을 느낄 정도가 된다.

만약 손이 젖어 10kΩ 정도가 된다면 16mA 정도의 전류가 흐르는데 이정도 수치는 근육이 수축되어 감전원으로 부터 손을 떼기 어려운 상태가 된다.

아이들에게 이야기 하니 학교 뿐만 아니라 다른곳에서도 이런 경험을 한다고 한다. 자판기 누전에 대해 잘 체크해야하지 않을까.

실제로 해보아도 좋지 않을까?

다음 상황이 역학적으로 가능한가?

외국에서 판매하는 boomwhackers 라는 장난감이 있다. 

관을 두드렸을 때 관에 생기는 정상파의 파장은 관의 길이의 2배이다.

붐웨커는 관 끝을 막을 수 있는 마개도 판매하는데 마개를 막으면 관 안쪽에 생기는 진동은 폐관진동이 된다.

폐관진동은 같은 길이의 관에 생긴 개관진동보다 파장이 2배 더 길기 때문에 진동수는 1/2 로 줄어들어 한 옥타브 낮은 소리가 나게 된다.

스마트폰 렌즈 중심에 물방울을 한방울 떨어트리고 물체 가까이서 사진을 찍으면 크게 확대되어 보인다.

마이크로 스포이드(PVC,일회용) 끝부분을 잡아당기면 가늘게 관이 만들어지는데 이 부분을 이용하면 작은 물방울을 만들 수 있다.

스포이드 제작

찍어본 사진들

옷

천원짜리

만원짜리

모니터의 화소도 잘 보인다. 더 잘보기 위해 모니터에도 물방울을 떨어트렸다. 스마트폰 화소는 모니터보다 훨씬 작아서 잘 안보인다.