과학 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!

와일드 미니카를 이용한 과학 실험

여러분은 타미야의 **”와일드 미니카(Wild Mini 4WD)”**를 아시나요? 일반 미니카가 속도 경쟁을 하는 날렵한 머신이라면, 와일드 미니카는 그보다 타이어가 2~3배나 크고 우락부락한 차체를 가지고 장애물을 가볍게 뛰어넘는 오프로드의 제왕 같은 미니카입니다.밖에서 달려보면 일반 미니카와의 차이점을 확실히 알 수 있습니다. 이 와일드 미니카를 한참 바라보다가 저는 문득 한 가지 사실을 깨달았습니다. 바로 이 커다란 고무 바퀴의 내부가 비어 있어(중공), 바닥에 닿을 때 찌그러지며 마찰력이 극대화되도록 설계되었다는 점입니다. 즉, 접지력(그립력)이 어마어마하게 강한 것이죠.’어쩌면 이걸로 마찰력 실험을 해볼 수 있지 않을까!’이런 생각으로 두 대를 사서 이리저리 시도해 본 결과, 물리학의 법칙이 눈앞에 생생하게 보이는 매우 재미있는 실험을 할 수 있다는 것을 알아냈습니다. 오늘은 와일드 미니카를 활용한 **”과학 레시피”**를 소개해 드리겠습니다.

과학 레시피

목적:

와일드 미니카 두 대를 **등 맞대고 “줄다리기”**를 시킵니다. 이때 마찰력에 영향을 주는 요소인 **”마찰 계수(바닥면의 거친 정도)”**나 **”수직 항력(무게)”**을 변화시키면서 어느 미니카가 이기는지 관찰하고 그 원리를 알아봅니다.

준비물:

와일드 미니카 (2대), 실 (문어실 등), 추 (귤 등도 가능), 걸레, 사포, 플라스틱 파일 또는 책받침

방법:

① 와일드 미니카 두 대를 조립합니다. [중요 포인트] 이때, 배터리 박스에 한 가지 꼼수를 써서 **배터리 1개(1.5V)**만으로도 작동하도록 전선을 연결해 주세요. 원래대로 배터리 2개(3V)를 사용하면 모터의 토크(회전하는 힘)가 너무 강해서 줄다리기 하는 순간 윌리(앞바퀴 들기)를 하며 뒤집혀 실험이 제대로 진행되지 않습니다.② 두 대의 와일드 미니카의 꼬리 부분을 문어실로 묶습니다.③ 두 대의 스위치를 동시에 켜서 줄다리기를 시킵니다. 조건이 같다면 제자리에서 바퀴가 헛돌면서 팽팽하게 맞섭니다. (사실 이것만으로도 학생들은 “와아!”하고 즐거워합니다.)④ 이 상태에서 한쪽 머신 아래 바닥에 “걸레”, “사포”, “책받침” 등을 깔아 바닥면의 상태를 바꾸었을 때, 어느 쪽으로 움직이는지 관찰합니다.⑤ 한쪽 미니카 위에 **”추(귤 등)”**를 올려놓아 무게를 바꾸면 어떻게 되는지 관찰합니다.

예를 들어 귤을 올려놓으면…

결과:

실제로 실험을 해보면 직관적이면서도 재미있는 결과를 얻을 수 있습니다.미끄러운 책받침 위에서는 타이어가 미끄러져서 지지만, 걸레나 사포 위에서는 발버둥 치며 힘을 발휘하여 이깁니다. 또한, 추(귤)를 올린 쪽의 머신이 그렇지 않은 머신보다 줄다리기에서 훨씬 강해진다는 것을 명확하게 알 수 있습니다.

이 실험의 과학적 원리: 왜 “무거운” 쪽이 이길까요?

고등학교 물리학 문제에서는 “마찰력이 무시될 때 (마찰이 없다고 가정)”라는 조건이 자주 나옵니다. 그래서 마찰력은 ‘움직임을 방해하는 악당’이라는 이미지를 가진 사람들도 많을 것입니다. 그러나 자동차나 미니카에게 있어 **마찰력은 앞으로 나아갈 수 있게 해주는 중요한 힘(구동력)**입니다.마치 얼음 위에서 달리려고 하면 미끄러져 나아갈 수 없는 것처럼, 타이어가 바닥을 **단단히 잡아야(마찰이 있어야)**만 그 반작용으로 앞으로 전진할 수 있습니다. 와일드 미니카를 손바닥 위에서 달려보게 하면, 타이어가 피부를 힘껏 밀어내는 힘을 느낄 수 있을 것입니다. 이것이 바로 마찰력의 정체입니다.

바퀴의 작용・반작용 관계

이 줄다리기에서 이기려면 더 큰 마찰력이 필요합니다. 마찰력의 크기는 다음의 단순한 공식으로 표현됩니다.

$F = \mu N$

(최대 마찰력 = 정지 마찰 계수 $\times$ 수직 항력)

이 공식을 이번 실험에 대입해 봅시다.

• $\mu$ (뮤): 정지 마찰 계수 이것은 ‘바닥면의 미끄러짐 정도’를 나타냅니다. 걸레나 사포를 깔면 이 수치가 커져 마찰력이 높아지고 승리합니다.
• $N$ (엔): 수직 항력 이것은 바닥이 물체를 받쳐주는 힘으로, 평평한 곳에서는 **’무게’**에 비례합니다. 추나 귤을 올리면 타이어가 바닥을 더 강하게 누르게 되어 마찰력이 높아지고 승리합니다.

무거운 경우와 가벼운 경우

학생들에게 예상하게 하면 “무거우면 움직이기 어려우니 지지 않을까요?”라고 생각하는 아이들도 있습니다. 하지만 씨름과 마찬가지로, 밀고 당기는 승부에서는 체중이 무거운 쪽이 바닥을 더 강하게 붙잡을 수 있기 때문에 유리해집니다. 이론뿐만 아니라, 실제로 눈앞에서 미니카가 경쟁하는 모습을 보면 마찰 공식이 머릿속에 쏙쏙 들어오는 강력 추천 실험입니다.

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