호랑이 교장 - 꿈다리 과학교실

호랑이 교장선생님 꿈다리 과학교실이 2009년 12월 14일에 시작하여 2010년 1월 26일까지 부천북 초등학교 과학실에서 주 2회 60분씩 전교생 중에 신청한 학생을 중심으로 진행되었다.

꿈다리 과학교실은 부천시에서 교육비 190,000원을 지원하고, 4인가족 월수입이 391만원 이하인 사람들은 동사무소에서 바우처 카드를 만들어서 한달에 수업료 3만원을 내면 된다. 그리고 다문화 가정과 기초 수급자는 수업료 1만원을 내면 된다.

꿈다리 과학교실은 부천시에서 운영하는 지역사회의 다양한 사회서비스 지역 맞춤형 사업이다. 꿈다리 과학교실을 운영하고 있는 교육과학기술부 소관 - 한국과학기술캠프 협회(호랑이 교장 : 윤성수)는 영재과학교실 현직교사 24명으로 구성된 위원회에서 프로그램을 작성하여, 다양한 주제별 과학프로그램을 통하여 자기주도적인 학습능력을 신장하고, 미래 과학 분야에 대한 꿈과 희망을 가질 수 있도록 교육하고 있다고 한다.

그동안 꿈다리 과학교실에서 만든 작품을 알아보자.

1. 내 꿈을 우주왕복선에 싣고 우주로 고고씽! 우주왕복선 모형을 제작하는 수업이었다.
1) 우주왕복선의 제작 목적을 알아보고, 2) 우주인 이소연 박사가 탔던 소유즈호의 각 부분 명칭 및 역할을 탐구하고, 3) 우주왕복선 모형 제작방법을 알아본 후 모형을 제작하는 수업이었다.

우주왕복선이란, 미국항공우주국(NASA)이 개발한 우주수송수단을 말하며, 스페이스 셔틀이라고도 한다. 우주공간과 지구 사이를 몇 번이고 반복해서 왕복할 수 있도록 만들어진 유인우주선으로서, 지구 근방의 우주공간의 생활화를 목적으로 사용하려는 것이다. 처음으로 한 수업이었기 때문에 모두 열심히 만들었고, 그런 만큼 멋진 작품을 만들 수 있었다.

2. 우주개발의 전진기지! 국제우주정거장 만들기 / 지난시간에 이어 이번에는 우주정거장을 만드는 수업이었다. 우주정거장의 역사를 공부했던 수업이었다.

국제우주정거장은 1986년에 쏘아 올렸던 러시아의 우주정거장 미르가 낡아 수명이 다하게되면서 건설하기 시작하였다. 1998년 11월 20일 러시아가 우주성거장 전체 구조물의 한 부분인 자랴 모듈을 우주에 쏘아올림으로써 시작되었다. 미국, 러시아, 유럽연합, 프랑스, 독일, 이탈리아, 영국, 벨기에, 덴마크, 스웨덴, 스페인, 노르웨이, 네덜란드, 스위스, 일본, 캐나다 등 세계 16개국에서 참여하여 건설중이며 올해 완공 예정이다.

완성된 우주정거장을 최소한 2016년 까지는 사용할 수 있을거라 예상된다. 현재 가장 크고 유일한 우주정거장으로 시속 27740km의 속도로 하루에 지구를 15.78회 공전하고 있다.
로켓에 실려 우주로 발사된 여러 장치들이 우주 공간에서 조립되고 있는데 현재 6개의 실험실을 갖추고 우주인이 7~10명 정도 머무를 수 있는 규모로 건설중이다. 2008년 4월 우리나라 최초의 우주인인 이소연이 이곳에서 머물명서 과학실험을 수행하였다. 굉장히 만드는데 시간도 오래걸리고 어렵기 때문에 저학년들이 만들던 것을 이어서 만들었고, 우리도 다 만들지 못하였다.

3. 레오나르도 다빈치와 함께하는 헬리콥터 여행! 레오나르도 다빈치가 구상했던 헬리콥터를 만들어보았다. 1) 헬리콥터에 작용하는 힘 탐구 - 양력, 추진력 등을 알아보고, 2) 레오나르도 다빈치 헬리콥터를 분석, 제작해보았다.

헬리콥터란, 회전날개(rotor)를 기관으로 회전시켜 여기서 생기는 양력과 추진력으로 비행하는 항공기를 말한다. 즉, 기체의 전후축을 포함하는 평면에 거의 수직으로 놓인 하나 또는 그 이상의 축에 대하여 기관에 의해 구동되는 2~5장의 회전날개를 배치하고, 축둘레에 이 날개를 회전시켜 회전날개에 발생하는 양력을 가감하거나 회전날개가 그리는 평면을 경사시킴으로써 공중으로 떠오르고, 또 비행방향으로의 추진력을 얻어 항행하는 항공기이다. 이런 지식이 없던 시대에 레오나르도 다빈치는 이 헬리콥터를 구상, 직접 만들어 실험했지만, 날개를 돌릴 수 있는 힘이 부족하여 헬리콥터는 뜨지 않았다. 이런 뛰어난 머리를 가지고 있었지만, 옛날에는 기술이 부족했기 때문에 실험에 실패한 다빈치를 요즘에는 시대를 잘못 태어난 예술가라고 한다. 만일 다빈치가 요즘에 태어났다면 이 헬리콥터 실험은 분명히 성공했을 것이다. 만들기도 쉬웠고, 직접 고무줄을 감아 날려보니 멋있고 기분도 좋았다.

4. 짱아 부메랑 비행기의 360도 회전비행! 이날은 그림 시상식 때문에 가지 못했다.

5. 하늘을 수직으로 올라보자! 푸른 꿈 열기구 /이날도 책을 읽다가 깜박하고 가지 못했다.

6. 속도의 혁명! 초음속 제트기! 멋지게 날아가는 제트기처럼 생긴 비행기를 만들어 보았다.
1) 제트기의 역사를 알아보고, 2) 제트기의 원리를 알아보고, 3) 제트기를 만들어 보았다.

제트기는 제트엔진을 추진 장치로 하는 비행기의 프로펠러 추진 비행기에 비해 더 빠른 속도
를 낼 수 있다. 심지어 제트기 중에는 소리보다 빠른 속도를 내는 것도 있다.

제트기가 소리보다 빠른 속도가 될 때 소닉붐현상이 일어나는데, 총알을 쏘는 순간에도 일어나며, 이 때 엄청난 소리를 내며 파동이 일어나는데, 실제로 들으면 고막이 찢어질정도로 큰 소리가 나지만, 실제 안에서는 아무런 소리도 들리지 않는다. 그 이유는 그 안에서는 소리보다 빠른 속도로 날아가기 때문에 소리가 전달되지 않기 때문이다. 하지만 엔진의 덜거덕거리는 소리는 들린다. 왜냐하면 철 자체가 소리를 전달해주기 때문이다.

제트엔진은 제트 기류를 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해
추력을 얻는 기관이다. 제트기가 보통 종이 비행기보다 훨씬 많이 날아가니 기분이 좋았다.
그리고 제트기에 대해 새로운 것을 많이 알 수 있어서 더 똑똑해진 것 같았다.

7. 작용반작용의 에어로켓 만들기/ 공기를 이용한 에어로켓을 만들어 보았다.

로켓이란 연료와 배출 가스를 빠르게 태워서 추진력을 얻는 장치다. 로켓은 ‘추진제’라는 화합물을 연료로 사용한다. 로켓의 연소실에서 이 추친제가 타면 매우 빠르게 팽창하는 가스가 만들어 지는데, 이 가스를 뿜어내는 힘으로 로켓이 발사된다. 이것은 뉴턴의 ‘작용 반작용의 법칙’을 이용하였다. 뉴턴의 3대 법칙은 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용 반작용의 법칙이 있는데 그 중 세 번째 법칙으로 어떤 물체가 다른 물체에 힘을 가해주면 힘이 가해진 물체는 똑같은 크기의 힘으로 다시 힘을 가한 물체를 향해 보낸다는 것이다. 페트병을 꽉 밟아서 하늘 높이 날아가는 에어로켓을 보고 있자니 내 마음도 시원해지는 것 같았다.

8. 내가 조정하는 무한도전 다빈치 비행기! 멋지게 날아가는 비행기를 만들어 보았다.
1) 비행기의 원리를 분석해보고,
2) 비행기의 비행 원리 요소를 활용한 무한도전 비행기를 만들었다. 비행기가 하늘을 날 때는 4가지의 힘이 작용한다.

즉, 추진력, 항력, 양력, 중력이다. 추전력은 비행기를 전진시키는 힘이며, 이와 반대로 작용하는 힘이 항력이며, 비행기를 들어 올리는 힘이 양력, 지구가 당기는 힘이 중력이다.

내가 조정하는 다빈치 무한도전 비행기를 만들 때 양력과 추진력은 크게 하고, 항력과 중력은 작게 해야 한다. 직접 비행기를 만들고 충전해서 날려보니까 기분이 너무 좋았다.

9. 창의력 상상교실 / 이날은 폭설때문에 수업을 안하는 줄 알았고, 주일학교 임원 안내판 만드느라 못갔다.

10. 하늘의 비밀을 푼 선덕여왕 첨성대 만들기 / 첨성대모형을 만들어 보았다.

천문관측을 위한기구로 신라에만 있었던 것은 아니다. 삼국시대 이후 천문관측을 위한 기구로는 백제의 누각박사, 역박사와 고구려의 일자, 신라의 누각전, 고려의 서운관, 조선시대의 관상감등이 있었다. 천문관측은 역대 왕들이 대단히 중요시 하였다고 한다.

그 이유는 농업을 기반으로 하는 농업국가에는 농업생산이 국가경제를 좌우하는 관건이 되므로 천은 만물의 주재자이므로 천의 의사표시로 생각한 천상의 변화를 중요하게 생각하는 것은
당연하였다. 동양 최초의 천문대였다. 차근 차근 쌓아올리는 맛이 있어서 무지 재미있었다. 엄마가 멋있다고 칭찬해주셔서 더욱 기분이 좋았다.

11. 백전백승 거북선에 담긴 이순신의 과학 / 거북선 모형을 만들었다.

거북선에 대해 우리가 잘 알지 못하는 사실은 먼저 용머리의 위치다. 한강에는 거북은 머리가
위에 있지만 시러제로는 머리가 화포가 있었던 2층에 있어 들락거렸다고 한다. 물론 입안에서도 대포를 쏘고 아래에도 용머리가 있어(항해시 물에 잠겨있다.) 그게 충차와 비슷하게 적선에 붙어 적선을 깨뜨릴 수 있었다. 그리고 거북선은 평저선이라(배밑이 평평한 배) 화포를 쏘아도 배가 쓰러지지 않으며 회전력이 강하다. 노와 바람 두개로 갈 수 있는 배이다. 그리고 배를 쇠못이 아닌 나무못으로 연결, 빠지지 않고 녹슬지 않게 구조하였다. 귀여운 아기 거북선이어서 너무 귀여워서 보며 연신 웃었다.

12. 뉴턴의 다리 만들기 / 거가대교 모형을 만들어 보았다.

다리의 안전에는 공진이라는 것이 큰 영향을 주는데, 공진이라는 용어는 생소하다.
그러나 우리는 일상 생활에서도 공진을 자주 경험하는데, 그 예로 누구나 타 보았을 그네를 생각해보자. 우리는 그네의 흔들림 폭을 크게 하는 방법을 알고 있다. 그네를 탄 사람이 스스로 발을 구르거나 뒤에서 누가 밀어주거나에 상관 없이, 발구름 또는 밀어주기의 타이밍이 그네가 흔들리는 주기와 일치할 때 그다지 크지 않은 힘인데도 그네의 흔들림은 점점 커진다. 그네에서 경험할 수 있는 흔들림처럼 공진이 크면 다리가 붕괴될 수 있다. 실을 꼽는 작업이 오래걸려서 집에서 마저 만들었다. 어려웠지만 굉장히 재미있었다.

13. 세팍타크로 공 만들기 / 세팍타크로 공을 만들었다.

세팍타크로에서 세팍은 발로 차다라는 말레이시아 어이고, 타크로는 공이라는 태국어이다.
세팍타크로 공을 이용한 정식 경기는 동남아시아에 있는데,그 경기가 우리 나라에 들어와 변형된 것이 족구라고 한다. 선생님이 주신 축구공 입체 퍼즐도 재미있었다.

14. 바람을 이용한 녹색 자동차 만들기 / 바람의 힘으로 움직이는 장난감 자동차를 만들었다.
1) 친환경 연료의 종류를 알아보고, 2) 지구상에 존재하는 화석연료의 잔량과 친환경 에너지 현황을 소개하고, 3) 바람으로 가는 자동차를 제작하고, 4) 바람으로 가는 자동차 경주대회를 열었다. 바람으로 가는 자동차의 과학적 원리중 가장 중요한 것은 작용과 반작용의 법칙이다.
풍선속에 바람이 가득 차있으면 풍선안의 공기는 바깥으로 나가려 하고 압력이 커지면서 풍선 밖으로 공기를 밀어낸다. 밀려난 공기는 자동차를 움직이게 하는 힘이 된다.

풍력발전기란 바람이 지니고 있는 에너지를 우리가 유용하게 사용할 수 있는 전기에너지로
바꿔주는 장치이다. 불어오는 바람은 풍력발전기의 날개를 회전시키게 되는데, 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산하여 우리가 사용하게 되는 것이다. 구체적으로 풍력발전기는 날개, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성되어 있다. 날개는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시킨다. 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 풍력 발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있다. 또한 높이나 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많다.

15. 작용, 반작용? 굴렁쇠야 / 굴리면 돌아오는 굴령쇠를 만들어보자.
1) 굴렁쇠가 굴러가는 원리를 알아보고, 2) 되돌아오는 굴렁쇠의 원리(탄성, 훅의 법칙)를 알아보고, 3) 되돌아오는 굴렁쇠의 제작방법을 알아보고 제작한다.

팽이는 먼저 손으로 돌리고 재빨리 팽이채로 놀게 하는데, 마치 채찍지러을 하는 것처럼 팽이채가 팽이의 몸을 순간적으로 감았다가 풀어지는 힘으로 팽이를 돌리게 된다. 만일 팽이가 돌다가 회전력이 약해져 쓰러지려 하면 다시 채로 쳐 회전력을 줌으로서 구심력이 커져 팽이가 다시 서게 된다. 빨리 돌아가는 물체는 회전관성 때문에 평형을 유지하려는 힘을 가지게 되는데, 그것은 마치 굴렁쇠나 자전거바퀴가 천천히 굴리거나 달리명 쓰러지지만 빨리 달리면 똑바로 서는 것이나 쓰러지려 할 때 쓰러지는 쪽으로 핸들을 돌리면 다시 일어서게 되는 이치와 같다. 즉, 내가 돌리기 시작해서 가속도가 제법 붙으면 속도를 저지하는 다른 힘을 주지 않는 이상, 계속 돌아가는 것이다. 이러한 원리를 자이로 원리라 하는데 이 원리는 비행기나 선박의 자동항법장치에 응용되고 있다.

고무줄은 언제까지 늘어날까?/ 탄성은 힘을 밭아서 모양이 변했다가 원래의 상태로 되돌아가는 성질을 말한다. 변형은 변형력에 비례한다. 즉 물질이 그 모습을 변형시기는 양은 그 물질에 가해진 힘에 달려있다.

이것이 훅의 법칙인데 훅의 법칙은 탄성 한계점까지만 적용된다. 예를 들어, 용수절이나 고무줄을 너무 잡아당기면 원래의 상태로 되돌아오지 못하는데 이것은 탄성한계점을 초과하여 탄성을 잃어버렸기 때문이다.

16. 고무줄을 튕겨 튕겨! 고무줄 동력배 / 고무줄로 가는 배를 만들어봤다.
1) 배의 원리를 알아보고, 2) 고무줄 동력배에 작용하는 힘(탄성, 부력)과 운동 원리를 탐구하고,
3) 고무줄 동력배를 만들었다.

기원전 3세기, 그리스의 학자 아르키메데스는 물이 가득 담긴 욕조에 들어가면 물이 밖으로
흘러넘친다는 사실에서 부력과 대체된 액체 사이의 관계를 설명하는 ‘아르키메데스의 원리’를
발견하였다. ‘유체 속에 담긴 물체는 대체된 유체의 무게와 같은 그키의 부력을 받는다.’

이 아르키메데스의 원리에 따라, 물속에서 물체의 무게는 물속에 잠길 때 대체된 물의 무게와
같은 크기의 부력만큼 가벼워진다. 이 원리는 배가 물에 뜨는 것에도 그대로 적용된다.

이 때 부력의 크기는 그 물체가 밀어낸 물의 무게와 같으며 물체가 잠긴 부분의 중심, 즉 부심을 통하여 중력과 반대 방향으로 작용하게 된다. 만약 물체의 무게가 같은 부피의 물 무게보다 작다면 그 물체는 가라앉지 않는데, 이는 부력이 물체의 무게보다 크기 때문이다.

이 원리를 이용하여 배가 밀어내는 물의 무게 - 배가 가라앉은 부분의 물의 무게 - 보다 배의 무게를 더 가볍게 만들면 배는 물에 뜰 수 있게 되는 것이다.

고무줄 동력배가 움직이는 이유는 물체에 힘을 가하면 물체는 변형을 일으키는데, 이 때 가해진 힘을 제거하면 물체가 원래의 모양과 크기로 되돌아가려는데 이 성질을 탄성이라 한다.

고무줄 동력배는 탄성에너지가 운동에너지로 바뀌어 배가 앞으로 나가게 된다. 이러한 탄성을
이용한 기계요소로는 충격이나 진도의 완화용 또는 시계의 태엽과 같은 동력원 및 힘을 측정하는 기계부품 등에 많이 사용되고 있다. 고무줄로 움직이는 배라 신기했다.

이날 나는 수료증을 받았다. 그러나 오늘로 끝이 아니라 또 신청을 하면 다음에 하는 과학교실을 또 할 수 있다. 2월에도 재미있는 프로그램이 많아서 나는 또 신청을 하였다.

이번 꿈다리 과학교실은 우리학교 뿐만아니라 부천동초등학교와 덕산초등학교와 부천 로보파크에서도 진행되었다.

정부에서 지원해주지 않으면 수강료를 한달에 22만원을 내야 하는데 부천시에서 지원을 하여,
저렴한 수강료를 내고 과학의 원리를 재미있게 공부하며 체험할 수 있어서 기뻤다.

허은지 독자 (부천북초등학교 / 5학년)