페트병 로켓은 여름방학 자유 연구 주제에 딱 맞는 실험으로, 꼭 한 번쯤은 체험해 보기를 권하는 재미있는 과학 활동입니다. 물의 양을 조절하면 비행 거리가 달라지기도 하고, 발사 후 로켓 안에 구름이 생기는 신기한 현상도 볼 수 있습니다. 흔히 “물로켓”이라고도 불리며, 물을 뒤쪽으로 분사해 날아가는 친환경적이고 안전한 로켓입니다. 시중에서는 키트로도 많이 판매되고 있지요. 하지만 이번에 소개할 것은 키트가 아니라, 직접 만들 수 있는 페트병 로켓입니다!

소형이면서도 저렴하고, 제작이 간단하면서도 박력이 넘치는 500ml 페트병 로켓! 초등학생, 중학생, 고등학생을 위해 개발된 것으로, 안전하면서도 멀리 날릴 수 있습니다. 분명히 감동할 만한 경험이 될 거예요. 과학의 재미를 직접 느껴 보세요. 이 소형 로켓은 500ml 페트병 2개를 사용해 만듭니다. 크기가 작아서 제작 후에도 보관과 이동이 아주 간편합니다. 1.5리터 페트병으로 만든 로켓에 비해 가볍고 다루기 쉬운 것이 특징이지요.

“하지만, 작으면 잘 안 날아가지 않을까?”라고 생각할 수도 있지만, 놀랍게도 훨씬 멀리 날아갑니다! 잘 만들면 20m 이상, 때로는 30m 이상도 가능합니다. 매년 수업 시간에 만들고 있는데, 30m를 넘게 날린 학생도 있었답니다. 이 정도 거리라면 만들고 날리는 즐거움을 충분히 느낄 수 있고, 크기가 작아 집으로 가져가기도 아주 편리합니다. 공원이나 운동장에서 날리기에 딱 좋은 거리이지 않을까요? 실제 발사 영상을 아래에 올려 두었으니 참고해 보세요.

참고로, 아래에서 소개하는 1.5L 페트병 로켓 키트는 잘만 날리면 30m 이상도 날릴 수 있습니다. 하지만 크기가 커서 집으로 가져가기가 어렵고, 넓은 공간이 아니면 위험하기 때문에 쉽게 날리기는 힘듭니다. 그래서 저는 소형 로켓을 추천합니다.

페트병 로켓은 단순히 재미만 있는 것이 아닙니다. #운동량 보존 법칙, #작용과 반작용의 법칙, #단열 변화, #구름 발생 등 다양한 과학 원리를 초등학생부터 고등학생, 그리고 어른까지 즐겁게 배우며 체험할 수 있는 최고의 과학 교재입니다. (아래에 자세한 설명을 정리해 두었습니다.)

그럼 이제 본격적으로 만드는 방법을 소개하겠습니다!

과학 레시피

준비물

＜로켓 본체에 필요한 것＞

• 페트병(500ml) × 2

  　※ 종이로 날개를 만드는 경우에는 페트병 1개만으로도 OK 👉 (자세한 내용은 여기를 참고하세요)

  　- 1개는 물을 채워 추진력이 되는 탱크로,

  　- 다른 1개는 날개 부분으로 사용합니다.

  　특히 탱크용 페트병은 반드시 탄산용을 사용해야 합니다. 탄산용은 압력을 견딜 수 있도록 일반 페트병보다 플라스틱이 두껍고 튼튼하게 만들어져 있습니다.
  

• 비닐 테이프, 빨대, 커터칼, 가위, 양면 테이프, 송곳, 판자, 펜치

• 고무 마개 (6호 또는 7호 → 6호가 딱 맞음, 7호도 가능, 핸즈에서 구입 가능)

• 공기 주입용 바늘(노즐 세트)

  　※ 노즐 구입 시에는 가지고 있는 공기 주입기와 맞는지 꼭 확인하세요. 홈센터나 온라인에서 주문 가능

• 안전 안경 / 보호 안경

＜발사대에 필요한 것 (교사 등 어른이 하나 준비하면 충분)＞

• 옷걸이

• 공기 주입기 (가능하면 압력계가 달린 것을 추천)

• 의자

로켓 본체 만들기

1. 머리(헤드)와 날개 자르기

전체 제작 시간은 약 50분 정도입니다.

먼저 아래 그림처럼 점선 부분을 따라 잘라서, 로켓의 머리(A) 와 날개가 될 부분(B) 을 분리합니다.

자르는 방법은 다음과 같이 하면 안전합니다:

1. 한 손으로 페트병을 단단히 잡고, 다른 손에 커터칼을 쥔 뒤 칼날을 병에 수직으로 대고 위에서 눌러 작은 구멍을 냅니다.
   

2. 그 구멍에 가위 날을 넣어 회전시키며 잘라 나갑니다.
   
   

이 과정을 거치면 아래 그림처럼 A와 B 부분을 분리할 수 있습니다.

 이렇게 하면 초등학생도 안전하게 자를 수 있습니다.

단, 초등학생의 경우 ①단계(구멍을 내는 과정)는 반드시 보호자가 함께 도와야 합니다.

• A 부분(머리)은 로켓의 앞부분에 붙는 헤드가 되고,

• B 부분(가운데 플라스틱)은 잘라서 날개 2개를 만들어 사용합니다.

2. 날개 만들기

B 부분의 원통형 플라스틱을 자세히 보면, 얇은 선이 두 군데 보입니다.

1. 먼저 그 부분을 손으로 접어 접힌 자국을 만듭니다. 실제로 보면 금방 알 수 있으니 직접 확인해 보세요.
   
   

2. 그런 다음, 플라스틱을 나무판 사이에 끼운 뒤 위에서 체중을 실어 눌러 줍니다.

 납작해진 플라스틱 판을 꺼내서 양쪽을 더욱 꼼꼼히 눌러 줍니다. 힘이 많이 필요하기 때문에, 초등학생은 보호자의 도움을 받는 것이 좋습니다. 이때 각목 등을 사용해 손으로 눌러 주면 더 잘 눌립니다.

3. 그다음 자를 대고 위에서 10cm 지점에서 잘라 줍니다.
   
   

4. 이어서 왼쪽 위에서 4cm, 오른쪽 아래에서 4cm 지점에 매직펜으로 표시를 하고, 자를 대어 대각선으로 선을 그립니다.

5. 표시한 선을 따라 가위로 잘라 주세요.

6. 잘라낸 후 날개를 펼치고, 접는 부분 아래에서 1cm 길이로 칼집을 넣습니다.
   

7. 그리고 그 부분을 접어 풀칠할 수 있는 접착 날개(풀칠 부분) 를 만듭니다.
   

마지막으로, 날개 사이에 양면테이프를 붙여 단단히 고정합니다.

또한 날개 가장자리를 비닐테이프로 감싸 주면, 손이 베이지 않고 디자인도 깔끔해집니다.

3. 부품 조립하기

가공하지 않은 두 번째 페트병(탱크용) 의 바닥 부분에, 잘라낸 A 페트병의 머리(헤드) 를 붙입니다. 이때는 비닐테이프를 한 바퀴 빙 둘러 감아 단단히 고정해 줍니다.

마지막으로, 날개와 날개 사이에 빨대를 붙이면 로켓 완성!

빨대는 발사할 때 로켓의 자세를 유지해 주는 중요한 역할을 합니다.

4. 공기 주입구 만들기

페트병 로켓의 원동력이 되는 공기 주입구 부분을 만듭니다.

6호(또는 7호) 고무마개의 중심에 송곳으로 구멍을 뚫어 주세요. 힘이 많이 필요하므로, 초등학생은 반드시 보호자의 도움을 받아야 합니다. 고무마개를 판 위에 세워 두고, 송곳을 수직으로 대어 구멍을 뚫습니다. 위험하니 조심!

뚫린 구멍에 공기 주입 바늘을 꽂습니다. 이 과정도 힘이 필요합니다. 바늘 끝이 고무마개 밖으로 살짝 나오면 성공입니다.

바늘의 길이에 따라서는 고무마개를 조금 잘라내야 할 수도 있습니다. 일반적으로 7호 마개가 더 단단하게 들어갑니다.

발사대 만들기!

이제 발사대를 만드는 방법을 설명하겠습니다. 학교에서 만들 경우에는 모든 학생이 하나씩 만들 필요는 없고, 1~3대 정도만 준비하면 충분합니다. 예를 들어 40명이 함께 만든다고 하면, 발사대를 3대 정도 준비해 두면 차례로 로켓을 쏘면서 즐길 수 있습니다.

옷걸이를 그림과 같이 펜치로 잘라 주세요. (꽤 힘이 필요합니다!) 그림에서 검은색 부분만 사용하면 되고, 나머지는 버려도 괜찮습니다.

옷걸이는 펜치의 날 끝으로 자르는 것이 좋습니다. 힘이 많이 들기 때문에, 보호자에게 도움을 요청하는 것이 안전합니다. 잘라낸 부분은 의자 등에 단단히 고정해 사용합니다.

또, 옷걸이 끝이 뾰족한 경우가 있으니 주의해야 합니다. 보호자는 필요에 따라 사포로 갈거나 비닐테이프를 감아 안전하게 처리해 주세요. 과학실에서 실습하는 경우라면 스탠드에 고정하는 방법도 좋습니다. 아래 사진은 스탠드 암(arm)의 모습입니다.

로켓을 날려 보자!

탱크에 물을 조금 넣고, 고무 마개로 단단히 막습니다.

 물을 얼마나 넣는지가 성공의 포인트! 직접 날려 보면서 양을 바꿔 실험해 보세요.

그다음 발사대에 로켓을 세팅합니다. 로켓에 붙어 있는 스트로를 발사대의 옷걸이 부분에 끼워 주세요.

세팅이 끝나면 공기주입기를 사용해 탱크에 공기를 넣습니다. 압력이 점점 높아지면, 마개가 ‘퐁’ 하고 빠지면서 동시에 로켓이 하늘로 솟아오릅니다!

또한 발사할 때 교사가 고무 마개를 손으로 잡아 주면, 반동으로 마개가 뒤로 튀지 않아 더 멀리 날아갑니다. (왜 이렇게 멀리 날아가는지 학생들에게 생각하게 하면 더 재미있겠죠?)

실험

페트병 로켓을 날릴 때는 안에 넣는 물의 양을 바꿔 보면서, 비행 거리가 어떻게 달라지는지 직접 실험해 보세요.

과연 최적의 물의 양과 발사 각도는 무엇일까요?

물을 너무 적게 넣으면 밀어낼 힘이 부족해 멀리 날지 못합니다. 반대로 물을 많이 넣으면 안에 물이 남은 상태로 발사되어, 이 역시 멀리 날지 못합니다.

자유 연구 과제로도 딱 좋습니다. 고등학생이라면 아래에서 소개하는 운동량 보존 법칙과 연관 지어 생각해 보는 것도 좋습니다.

또, 발사 각도는 몇 도가 가장 좋을까요? 제가 만든 스크래치(Scratch) 시뮬레이션 프로그램으로도 확인할 수 있습니다.

이론적으로는 45°일 때 최대 비행 거리를 얻을 수 있습니다. 하지만 실제로는 공기 저항 때문에 45°보다 낮을 가능성이 큽니다. 그렇다면 실제로 발사해 보면 어떤 결과가 나올까요?

발사 직후 로켓을 보면 안쪽에 하얀 구름이 생겨 뿌옇게 보이는 현상을 관찰할 수 있습니다. 이것은 로켓 내부의 공기가 단열 팽창하면서 온도가 내려가기 때문입니다. “왜 온도가 내려갈까?” 같은 질문을 던지면 훌륭한 과학 학습 소재가 됩니다.

주의할 점!

• 발사할 때 물에 젖을 수 있습니다.

• 더 멀리 날리기 위해 고무 마개를 너무 세게 끼우거나, 공기를 과도하게 주입하려고 해서는 안 됩니다.

• 이 로켓은 자연스럽게 고무 마개가 빠지도록 설계되어 있어 안전성이 높지만, 시중의 키트형 로켓은 위험할 수 있습니다.

페트병에는 눈에 잘 보이지 않는 미세한 금이 있을 수 있고, 이 경우 고압을 견디지 못해 폭발할 위험이 있습니다. 따라서 키트 로켓을 사용할 때는 반드시 보호 안경을 착용하고 안전을 최우선으로 하세요.

공기 압력은 최대 4기압 이내에서 발사해야 하며, 내부 압력을 확인할 수 있는 압력계가 달린 공기 주입기를 사용하세요.

또한 사람이 없는 넓은 장소에서 발사해야 합니다. 혹시 부딪히면 큰 부상까지는 아니더라도 위험할 수 있으니 꼭 주의하세요.

참고 정보

날개를 종이로 만들면 시간을 절약할 수 있습니다!

학교 수업 등에서 진행할 경우, 50분 수업 안에 위 방법으로는 시간이 부족할 수 있습니다. 그래서 조금 더 간단하게 만들 수 있는 방법을 소개합니다. 두꺼운 종이(화지)로 날개를 만들면, 30분 안에 로켓을 완성할 수 있습니다.

작업용 화지를 사용하며, 미리 인쇄된 줄이 있어서 누구나 쉽게, 깔끔하게 만들 수 있습니다.

예를 들어, 5장이 들어 있는 화지를 약 160엔에 구매할 수 있고, 지금 만들 날개 1장으로 8개의 날개를 만들 수 있습니다.

날개를 1개당 2개씩 붙이면 4명의 로켓을 만들 수 있으므로, 총 20명의 로켓을 만들 수 있습니다.

날개 전개도는 아래와 같습니다.

• 실선: 자르고,

• 점선: 접는 부분입니다.

이 작업은 학생들이 직접 자와 펜을 사용하여 작업용 화지에 그리면서 만들도록 합니다.

이번에는 시간 절약을 위해 날개를 2장으로 만들었지만, 3장, 4장으로도 충분히 짧은 시간 안에 만들 수 있습니다.

예를 들어, 중1~중3 학생 10명이 참여했을 때, 작업 시작부터 완성까지 정확히 30분, 발사까지 포함하면 약 1시간 안에 끝났습니다.