교실이 컬링장으로!? 드라이아이스로 체감하는 ‘마찰 제로’ 물리학(관성의 법칙)

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.

만약 세상에서 ‘마찰’이 사라진다면, 물체는 어떻게 움직일까요? 교과서에 나오는 ‘관성의 법칙’. 물체에 힘이 작용하지 않으면 영원히 같은 속도로 곧게 나아간다는 법칙인데, 이것을 실제로 체감하기는 생각보다 어렵습니다. 왜냐하면 지구상에는 항상 ‘마찰력’이라는 방해꾼이 존재하기 때문이죠.

보통 학교 수업에서는 전용 미끄럼틀 같은 것을 사용하지만, 학생들에게는 그저 ‘실험실에서만 가능한 특별한 일’로 느껴지기 쉽습니다. 게다가 모든 조에 값비싼 장비를 갖춰주기에는 예산 문제도 만만치 않죠. 그래서 제가 추천하고 싶은 것이 바로, ‘드라이아이스’를 활용한 실험입니다. 마트나 빵집에서 덤으로 받는 그 드라이아이스가 물리학의 상식을 뒤엎는 마법의 아이템이 될 수 있습니다!

드라이아이스가 ‘호버크래프트’가 되는 원리
드라이아이스는 이산화탄소를 냉각시켜 고체로 만든 것입니다. 이것을 상온의 방에 두면 액체가 되지 않고 바로 기체로 변하는 ‘승화(昇華)’ 현상이 일어납니다. 이때, 드라이아이스와 책상 사이에서는 무슨 일이 벌어질까요? 드라이아이스 바닥 면에서 세차게 뿜어져 나온 이산화탄소 기체가 책상과의 사이에 얇은 가스층을 만들어냅니다.

즉, 드라이아이스가 스스로 뿜어내는 가스 덕분에 살짝 공중에 떠 있는 상태가 되는 것입니다. 이는 마치 공기의 힘으로 부상하며 나아가는 ‘호버크래프트’와 똑같은 원리입니다.

떠 있기 때문에 책상과의 마찰력은 거의 제로에 가깝게 작아집니다. 손가락으로 살짝 밀기만 해도 마치 무중력 공간처럼 스르륵 미끄러져 나가는 모습은 정말 감동적입니다. 오늘은 이 현상을 이용해 ‘등속 직선 운동’을 재미있게 놀면서 배워봅시다.

과학 레시피
준비물: 드라이아이스 약 1kg, iPad 각 조당 1대

※ 드라이아이스는 근처 얼음 판매점 등을 알아보는 것이 좋습니다. 제가 거래하는 곳은 ‘아사히 빙업’입니다. http://www.icenet.or.jp/asahi/

옛날 방식 그대로 얼음을 파는 곳인데, 드라이아이스를 1kg부터 살 수 있고 가격은 대략 500엔 정도입니다. 하지만 요즘은 편리하게 Amazon에서도 구매할 수 있다고 합니다.

【교사용 메모】 드라이아이스 1kg은 냉동실에 보관해도 승화가 계속 진행되어 이틀 정도면 사라져 버립니다. 구매할 때는 수업이 여러 번 있는 날을 골라 배송받는 것이 요령입니다.

실험 방법: 마찰 제로의 세상을 경험해 보자
① 드라이아이스를 약 5cm 정도의 정육면체 크기로 부숴서 각 조에 나눠줍니다 (망치 등으로 깨뜨립니다). 모양은 대충 해도 괜찮습니다.

② 수평한 책상 위에서 미끄러뜨려 봅시다. 【꿀팁】 혹시 있다면 에틸알코올을 드라이아이스 밑면에 뿌려 촉촉하게 만든 후 실험하면 훨씬 더 부드럽게 움직입니다. 알코올은 잘 얼지 않기 때문에 매끄러운 막을 만들어주기 때문이죠.

스윽

스스슥

실제 움직임은 꼭 영상으로 확인해 보세요. 정말 기분 좋게 미끄러집니다.

③ 현대 과학 기술도 활용해 봅시다. iPad를 사용해 스톱모션(コマ撮り) 앱 등으로 촬영해 봅니다.

다음 사진은 학생들이 실제로 촬영한 것입니다. 물체가 일정한 간격으로 찍혀있는 것을 보면, ‘속도가 변하지 않고(등속)’ 동시에 ‘곧게 나아가는(직선)’ 운동임을 한눈에 알 수 있죠.

덤으로 드라이아이스 컬링도 해보자
배움 뒤에는 놀이 속에서 과학을 발견해 봅시다. 어렵게 준비한 드라이아이스, 실험만 하고 끝내기엔 아깝잖아요? 교실을 컬링장으로 바꿔봅시다.

준비물:

드라이아이스, 비닐 테이프, 망치, 목장갑

순서:

① 비닐 테이프를 책상에 붙여서 타겟을 만듭니다. 이것이 하우스(원) 대신입니다.

출발선도 만듭시다.

② 드라이아이스를 망치로 적당한 크기로 부숩니다.

【안전 주의】 이때 반드시 목장갑을 착용하세요. 드라이아이스는 영하 79도로 매우 차갑기 때문에 맨손으로 만지면 동상에 걸릴 위험이 있습니다. 아이들과 함께 할 때는 반드시 어른이 동반해야 합니다.

③ 목장갑을 끼고 드라이아이스를 출발선에서 미끄러뜨립니다. 가운데 원(빨간 테이프 안)에 들어가면 100점, 주변 원에 들어가면 50점으로 해서 5번 미끄러뜨려 합산 점수를 겨룹니다.

힘 조절 하나로 너무 지나치거나 미치지 못하거나. ‘관성’과 ‘아주 미세한 마찰’의 밀고 당기기를 온몸으로 느낄 수 있을 것입니다.

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