작품번호

2203

제56회 전국과학전람회

출품분야 교원부 출품부문 화 학

2010. 7. .

구 분 성 명

교 사 이 인 숙

목 차

Ⅰ. 연구동기 및 목적 ·······················································································1

Ⅱ. 이론적 배경 ·································································································3

1. 무중력 상태 ·······································································································3

2. 무중력 상태에서의 현상들 ············································································4

3. 자유낙하 하는 물체 안의 무중력 ································································5

III. 연구개요 ·······································································································6

IV. 기구 제작 및 실험방법 ·············································································7

1. 자유낙하 장치 개발 ·························································································7

2. 무중력 실험 키트 개발 ··················································································8

V. 연구결과 및 고찰 ······················································································10

[연구1] 자유낙하 실험 장치 제작 ····································································10

[연구2] 자유낙하 장치의 무중력 현상 검증 ··················································11

[연구3] 무중력 상태에서의 물리화학적 현상 검증 ······································12

가. 무중력 상태에서의 표면장력 변화 ·························································12

나. 무중력 상태에서의 연소 반응 ·································································13

다. 무중력 상태에서의 압력 변화 실험 ·······················································14

라. 무중력 상태에서의 전기분해 실험 ·························································15

마. 무중력 상태에서의 염 낙하 실험 ···························································16

바. 무중력 상태에서의 중화적정 실험 ·························································17

사. 무중력 상태에서의 자석 교반 바의 제거 실험 ···································18

아. 무중력 상태에서의 액체 비중 실험 ·······················································19

Ⅵ. 결론 및 전망 ····························································································20

※ 참고 문헌 및 참고 사이트 ······································································22

그림 목차

그림 1. 무중력 상태에서 물방울이 완전한 구를 이룬 모습 ·············· 4

그림 2. 중력 상태(지구)에서의 촛불모양 ·············································· 4

그림 3. 무중력 상태(우주)에서의 촛불모양 ·········································· 4

그림 4. 자유낙하 실험 장치(최종)·························································· 7

그림 5. 무중력 실험 키트·········································································· 9

그림 6. 자유낙하 실험 장치 및 실험 방법·········································· 10

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Ⅰ. 연구 동기 및 목적

21세기는 우주기술이 국가 경쟁력을 좌우하는 우주시대다. 미래학자 앨빈토플러도

그의 저서‘부의 미래’에서 우주로 도약하는 것 자체가 인류에게 새로운 부를 창출할

것으로 예측하고 있다. 세계 각 국은 우주의 평화적 이용이라는 목표를 내걸고

앞 다퉈 우주 개발에 나서고 있다.

우리나라도 처음 우리별1호를 기점으로 지난 15년 동안 자체 기술개발을 통해

우주공간에 10개의 인공위성을 보유하고 있고 나로호 발사의 노력까지 괄목할

만한 성장을 보여주고 있다.

특히 지난 2008년도 전 국민이 관심과 기대 속에 이루어진 ‘우리나라 최초의

우주인 탄생'은 우리가 우주기술의 핵심영역인 유인 우주기술 시대에 진입하는

발판을 마련했고, 무엇보다 러시아, 미국, 프랑스 등에 이어 세계에서 11번째로

우주에서 과학실험을 수행한 국가가 되었다.

당시 한국 최초 우주인 이소연 박사가 국제우주정거장(ISS) 무중력 환경에서

실시한 18가지 과학실험은 성공적이었고, 이는 홍보자료와 교육자료로 제작되어

각급 학교에 보급되었다. 또한 무중력 상태에서 일어나는 여러 가지 흥미로운

현상과 각종 실험내용은 방송매체와 인터넷을 통해 널리 소개되어. 우주 실험에

대한 학생들의 관심은 물론 일반인들의 관심도 높아졌다. 그러나 우주정거장 무중력

환경은 매우 특수하기 때문에 과학실험을 수행하기에 많은 제약이 있다. 작은

우주선 내에서 실험을 수행하는데 실험 기구의 크기의 문제, 안정성 및 비용 등이

고려되어야 할뿐 아니라 무엇보다도 무중력 하에서 독창성이 있는 적합한 실험을

찾는 것이 큰 과제이다.

미국, 독일, 일본, 러시아 등 일부 선진국에서는 우주공간에 쏘아올린 우주

왕복선과 우주정거장에서 얻을 수 있는 것과 같은 무중력, 또는 저중력을 지상

에서 재현할 수 있는 낙하 탑을 이용해 이 탑에서 새로운 물질, 신약, 신소재 등을

개발하는 움직임이 활발히 일어나고 있다고 한다.

미국 국립항공우주국(NASA)은 높이 1백10m의 낙하 탑을 갖고 있으며 독일 브레멘

대학은 1백m 높이의 낙하 탑을 세워 각종 첨단 실험을 하고 있다. 또 일본에서는

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일본전기회사(NEC)가 지하 7백m까지 땅굴을 파 약 10초간 무중력실험을 할 수

있는 시설을 해놓고 있다. 특히 독일에서는 뮌헨의 한 박물관에 20m 높이의

낙하 탑을 세우고 이곳에 무중력 실험 장치를 설치해 학생과 일반인들에게 무중력

효과를 보여주는 각종 실험을 하고 있다.

지상에서 무중력을 얻을 수 있는 대표적인 방법으로는 NASA에서 실시하는

비행기 자유낙하, 물속에서 이루어지는 부력과 자중이 만나는 점, 러시아에서는

중력가속장치를 이용하는 방법 등이 알려져 있다. 그중에서도 고속의 비행기나

과학 실험용 로켓을 이용하면 무중력을 얻을 수 있는데 비행기가 초고속으로

내려오다 급선회해 고공으로 올라가는 순간 엔진을 끄면 3∼4분간 무중력을 유지

할 수 있다. 그래서 일부 선진국에서 사용하고 있는 방법은 높은 탑을 세우거나

깊이 땅굴을 판 뒤 자유낙하장치를 이용해 무중력을 만들어내는 것이다.

위와 같이 자유낙하의 원리를 이용한 무중력 실험 장치는 매우 고가의 비용이

소요되며, 적어도 몇 백 미터 이상의 높은 장치를 이용하게 되므로 별도의 장소가

필요하다. 그렇기 때문에 무중력 상태에서 일어날 수 있는 단순한 현상을 관찰하는

것도 쉽지가 않다. 최근 높아지고 있는 우주에 대한 관심과 향후 우주시대에 대비한

지식 축척측면에서뿐 아니라, 교육적 가치 및 필요성으로 볼 때 본 연구는 더욱

전문적으로 이루어질 필요가 있다.

본 연구의 목적은

첫째, 자유낙하 실험 장치를 고안 제작하여 무중력 현상을 구현하고,

둘째, 자유낙하 장치 속에서 구현 가능하고 변화 관찰이 가능한 화학반응을 찾고,

셋째, 중력상태에서 무중력 상태로 변하면서 물질의 물리화학적 특성이 어떻게

변화되는지 알아본다.

끝으로, 본 연구를 통해 무중력상태에서의 화학적 특징에 대한 기초 정보를

얻을 수 있으며, 또한 학습 면에서 막연한 우주에 대한 동경보다는 구체적,

실질적 현상을 구현하고 관찰함으로써 우주과학에 대한 호기심과 지식을 함양함은

물론 창의적인 학습 자료로 널리 보급 사용하는 데 있다.

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II. 이론적 배경

1. 무중력 상태

무중력 상태란 중력이 작용하지 않는 상태를 말하며 엄밀하게는 우주에서 중력이

작용하지 않는 상태는 없다고 한다. 하지만 우리는 지구의 중력이 대부분이기

때문에 지구의 중력을 없애면 무중력 상태를 만들 수 있다. 인공위성은 지구

주위를 원운동하기 때문에 인공위성 안에서는 원심력이 작용한다. 따라서 인공

위성 안에서는 물체에 지구가 당기는 힘과 원심력이 정확하게 크기가 같고 반대

방향으로 작용하기 때문에 물체가 받는 힘은 없다. 즉, 무중력 상태가 만들어져

우주인들은 무중력 상태에서 생활하게 된다.

무중력 상태에서는 질량은 잴 수 있으나 무게를 잴 수 없고, 바닥과 발 사이의

마찰력이 없어 걸어 다닐 수 없는 등 일상생활과 다른 특이한 현상을 겪게 된다.

무중력 상태에서는 컵 속에 든 물을 흔들면 물방울이 되어 흩어져 날아가 버릴

뿐만 아니라, 발과 마룻바닥 사이의 마찰저항도 없기 때문에 미끄러지기 쉽고,

또한 액체 속에서는 거품이 떠오르는 일도 없기 때문에 거품을 없애려면 액체를

용기째 흔들지 않으면 안 되는 등 지상과는 다른 상태가 나타난다.

또한 무중력 상태가 오랫동안 지속되면 심장의 수축수가 줄고, 혈압이 내려가서

순환장애를 일으키거나, 뼈 속의 칼슘이 혈액 속에 용출하거나, 호흡이 멎는 등의

악영향이 일어나기 때문에 장래의 우주정거장 등에서는 인공적으로 중력을 만들어

내는 방법이 검토되고 있다.

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<그림 2>중력상태(지구)에서의 촛불모양 <그림 3>무중력 상태(우주)에서의 촛불모양

2. 무중력 상태에서의 여러 현상들

가. 물방울 모양

<그림 1> 무중력 상태에서 물방울이 완전한 구를 이룬 모습

우주에서는 물방울을 완전한 구의 형태로 만들 수 있다. 중력으로부터 해방된 우주

에서는 액체 방울이 표면 장력에 의해 완전히 둥근 형태로 바뀌기 때문이다.

1982년에서 1984년에 걸쳐 우주왕복선에서는 완전한 구형 입자를 만들어냈는데

이는 미국 규격 표준국(NBS)에서 표준시료로 인정받았다.

나. 양초 연소

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그런데 중력이 없는 상황에서는 밀도차가 발생하지 않기 때문에 이로 인한 공기의

움직임이 발생하지 않는다. 때문에 공기의 움직임이 없는 상황에서 불꽃 주변의

공기가 고른 비율로 연소되면서 구 모양의 불꽃을 형성하게 되는 것이다.

다. 비눗방울 실험

우주에서는 비눗방울이 터지지 않는다. 비눗방울에 작용하는 중력이 없기 때문에

비눗방울에는 비누물의 표면 장력(표면적을 최소화하려는 성질)만이 작용하게 된다.

지구에서는 비눗방울을 불었을 때 비누물이 비눗방울을 타고 흘러내리는 것을 볼

수 있다. 이렇게 되면 비눗방울의 윗벽이 얇아져서 곧 터져버리는 것이다.

우주에서 사이다를 마신다고 생각해보자. 사이다를 빨대로 저으면 거품이 많이 발생

하는데 우주에서는 이 거품들이 터지지 않고 뭉쳐지기만 한다. 그래서 더 큰 거품을

형성하고 그 거품들이 사이다를 밀어내서 사이다 방울이 공중에 둥둥 떠다니는 일이

발생할 것이다.

3. 자유낙하 하는 물체 안의 무중력

자유낙하란 물체가 중력만 받으면서 낙하하는 운동을 말한다. 즉, 자유낙하 하는

물체는 중력 외에 다른 힘을 받지 않는다. 따라서 공기의 저항을 무시한다면 자유

낙하 하는 물체는 중력에 의한 가속도 운동을 한다. 중력가속도 으로

1초에 씩 속도가 증가한다. 우주인들은 비행기를 자유낙하 시켜 무중력

상태를 경험하게 되는데 예를 들어 엘리베이터를 자유낙하 시키면 엘리베이터를

포함하여 안에 있는 모든 물체는 똑 같은 중력가속도를 가지고 낙하하는 것이다.

엘리베이터 안에 있는 물체가 항상 같은 가속도로 움직이고 있기 때문에 서로에

대하여 움직이고 있는지 구별을 할 수 없는 상태가 된다. 이것은 마치 우리가 태양

주위를 초속 30km로 엄청나게 빨리 달리고 있지만 지구와 함께 움직이기 때문에

전혀 느끼지 못하는 것과 비슷하다. 따라서 지구의 중력만을 받으면서 함께 운동

하는 엘리베이터 안에서는 중력을 느끼지 못하게 되어 무중력을 경험하게 된다.

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Ⅲ. 연구개요

1. 연구절차

가. 연구 기간 : 2007년 3월 ~ 2010년 6월

나. 세부 추진 상황

절 차 내 용 기 간

주제 선정 및 연구 설계 관련 이론 및 선행연구 조사 07. 3. 1 ~ 07. 3.31

연구 설계 자료 수집 및 전문가 지도 07. 4. 1 ~ 07. 4.30

실험 기구 개발 및

무중력 현상 검증

자유낙하 장치 제작(1차) 07. 5. 1 ~ 07. 5.20

무중력 현상 검증 실험키트 5종 개발 07. 5.21 ~ 07. 8.31

무중력 상태에서의

화학반응 실험

자유낙하 장치 수정 보완(2차) 07. 9. 1 ~ 08.10.25

화학 실험키트 3종 고안 및 개발 07. 9. 1 ~ 09. 3.20

자유낙하 장치 수정 보완(3차) 09. 4. 1 ~ 09.10.31

화학 실험키트 6종 추가 개발 09.11. 1 ~ 10. 6.20

연구결과 정리 실험 결과 정리 및 보고서 작성 10. 6.21 ~ 10. 6.30

2. 연구과제

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IV. 기구 및 화학 실험 장치 개발

1. 자유낙하 장치 개발

자유낙하의 원리를 이용하여 다음과 같이 무중력 실험 장치를 제작하고 그 속에

넣을 실험 키트를 개발하였다.

<그림 4>는 자유낙하 실험 장치로 전체 크기는 높이 200cm×가로 30cm×세로

30cm이다. 철 기둥 4개가 낙하상자 네모서리를 통과하도록 하였다. 낙하하면서

촬영이 가능하도록 카메라를 반응 부 전면에 설치하여 낙하하면서 물체의 변화를

촬영하도록 하였다. 낙하하는데 걸리는 소요 시간은 약 0.45초 정도 소요된다.

<그림 4> 자유낙하 실험 장치

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2. 무중력 실험 키트 개발

현재 무중력 상태에서의 실험이 많이 공개되어 있지도 않을뿐더러, 수행된 실험도

거의 물리실험에 국한된 실정이다. 다양한 유형의 화학반응이 무중력 상태에서 어떤

변화를 보일것인지에 대한 정보는 전무한 실정이고, 실제로 우주선에서 실험을

수행하기에는 화학반응의 위험성, 화학반응 실험 장치의 크기 제한, 안정성 등의

제한으로 실험을 수행하기 쉽지 않다. 본 연구에서는 무중력 상태에서 변화가 예상

되는 반응들을 찾았고, 자유낙하장치에서 실험이 가능하도록 실험키트를 설계 제작

하였다.

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전기분해 실험 장치 염 낙하 실험 장치

중화적정 실험 장치 교반 자석 제거 실험 장치

비중 실험 장치 다용도 실험 용기

<그림 5> 무중력 실험 키트

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V. 연구결과 및 고찰

연구1 자유낙하 실험 장치 제작

무중력 현상을 지상에서 관찰할 수 있는 방법으로는 자유낙하가 유일하다. 우주선

내부나 비행기 시동을 끄고 약 10초간 자유낙하하면서 무중력 현상 관찰은 비용도

많이 들뿐 아니라 제약조건이 많기 때문에 다양한 실험을 구현하기가 어렵다.

그러나 지상에서 자유낙하를 이용하여 무중력 현상관찰은 기구의 크기, 장치

안정성, 위험성 같은 요소가 거의 없기 때문에 다양한 실험이 개발된다면 실제

구현이 가능하다. 본 실험에 사용한 무중력 장치는 많은 시행착오와 개발을 거쳐

문제점을 보완하였고 최종 작품으로 그림과 같은 장치를 제작하여 다양한 실험을

하였다. 자유낙하장치를 이용한 무중력 현상관찰에서 중요한 두 가지 요소는

첫째, 적당한 낙하거리를 가져야 하고 낙하하는 동안 마찰을 최소화해야 한다.

둘째, 관찰 대상과 카메라가 동시에 낙하되면서 촬영이 이루어져야 한다.

<그림 6> 자유낙하 실험장치 및 실험방법

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연구2 자유낙하 장치의 무중력 현상 검증

무중력 상태에서는 중력이 작용하지 않는 상태이므로 물체의 무게가 없다. 실험에

사용된 자유낙하장치는 중력가속도와 낙하 시 가속도가 같을 때 실험 계가 무중력

상태가 되는 원리를 이용한 것이다. 실험 장치가 무중력 현상이 나타나는지 검증

하기 위해 디지털 저울에 물체를 올려놓고 무게 변화를 관찰하였다.

[실 험]

1) 디지털 저울에 60.6g의 물체를 올려놓는다.

2) 디지털 저울이 들어 있는 상자를 자유낙하 시키면서 무게 변화를 관찰한다.

[결과 및 고찰]

자유낙하 전, 후(중력 상태) 자유낙하 할 때 (무중력 상태)

관찰 결과

전자저울을 낙하상자 안에 넣고 저울의 영점조절을 하였다. 그러나 무선카메라가

전자저울에 전자파의 영향을 주어 영점이 되지 않았다. 60.6g의 물체를 올려

놓고 자유낙하 시켰을 때 물체의 무게가 1.5g까지 감소하였다. 저울에 미치는

무선카메라의 영향으로 아주 정밀한 무게변화를 관측하기는 힘들지만 무게

감소율이 97.5%로, 이 조건에서 다른 실험들은 무중력 효과를 뚜렷하게 보였다.

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연구3 무중력 상태에서의 물리화학적 현상

무중력 상태에서의 표면장력 변화 가

지상에서 액체 방울은 중력을 받고 중력의 크기가 액체 고유한 힘인 표면장력

보다 더 크기 때문에 액체 방울의 모양이 원형에서 타원형 형태를 유지한다. 다음

실험은 납작한 모양의 수은방울이 무중력 상태에서 어떤 모양으로 변하는지 알아

보았다.

[실 험]

1) 반구형 투명플라스틱에 수은을 넣고 잘 밀봉한 후 낙하상자 안에 넣는다.

2) 수은이 들어있는 장치를 자유낙하 시키면서 수은 방울 모양 변화를 관찰

한다.

[결과 및 고찰]

자유 낙하 전, 후 (중력 상태) 자유낙하 할 때 (무중력 상태)

관찰 결과

중력이 존재하는 자연 상태에서 수은은 납작한 형태지만, 자유낙하장치를

통하여 자유 낙하할 때 오른쪽 그림과 같이 구형의 형태로 변했다. 이 결과는 중력이

존재하지 않으면 액체가 고유하게 가지고 있는 표면장력만이 작용하기 때문에

수은의 모양이 구형이다.

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무중력 상태에서의 연소 반응 나

보통의 상태에서 촛불을 태우면, 초는 연소하면서 빛과 열, 이산화탄소와 수증기를

내놓으며, 뾰족한 달걀 모양과 흡사한 모양의 불꽃이 생긴다. 연소로 발생하는

열에 의한 공기의 부상과 대류 현상 때문이다. 무중력 상태에서는 뜨거워졌다고

하더라도 가볍고 무겁다는 개념이 없기 때문에 열대류가 발생하지 않는다. 때문에

상승기류가 발생하지 않으며 기체로 바뀐 초와 주변의 공기가 심지 주위에 모여

있게 된다. 이러한 이유로 촛불은 둥근 모양이 된다. 그러다 시간이 지나면 초 주변의

산소가 다 소모되고 곧 촛불은 꺼진다.

[실 험]

1) 촛불연소반응 장치를 자유낙하상자 안에 넣고 불을 붙인다.

2) 조심스럽게 자유낙하 시키면서 연소하는 촛불의 모양을 관찰한다.

[결과 및 고찰]

자유 낙하 전, 후 (중력 상태) 자유낙하 할 때 (무중력 상태)

관찰 결과

중력이 있는 상태에서 불꽃은 기다란 형태를 가진다. 그 이유는 연소 시 발생한

열에 의해 뜨거워진 공기의 부상과 대류 현상이 일어나기 때문이다. 그러나

중력이 없는 상황에서는 밀도차가 발생하지 않기 때문에 이로 인한 공기의

움직임이 발생하지 않는다. 때문에 공기의 움직임이 없는 상황에서 불꽃 주변의

공기가 고른 비율로 연소되면서 구 모양의 불꽃을 형성하게 되는 것이다.

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무중력 상태에서의 압력 변화 실험 다

보일은 실험에서 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다는

사실을 발견했다. 외부에서 힘을 가해 기체의 부피를 감소시키면, 기체의 밀도가

증가하여 충돌 횟수도 증가하므로 기체의 압력은 증가한다. 그러나 무중력 상태에서는

물체가 나타나는 무게가 없기 때문에 압력계에 물체를 올려놓고 압력 변화를 관찰

하는 것이 가능하지 않다. 다음 실험은 무중력 상태에서 부피변화를 통해 보일의

법칙이 적용되는지 알아보았다

[실 험]

1) 보일의 법칙 실험 장치를 자유낙하상자 안에 넣는다.

2) 보일의 법칙 실험 장치를 자유낙하 시키면서 부피변화를 관찰한다.

[결과 및 고찰]

자유낙하 전, 후(중력 상태) 자유낙하 할 때 (무중력 상태)

관찰 결과

왼쪽 그림은 자유낙하 하기 전에 추에 의해 기체의 부피가 감소된 상태이다.

자유낙하 시 무중력 상태가 만들어지면서 추의 무게 효과는 제거되고 압력의

효과만 나타나므로 기체의 부피가 원래 상태로 증가하였다. 이 결과는 우주

에서는 외부 힘의 작용에 따른 압력변화에 의한 부피 변화를 관찰할 수 없다는

것을 의미한다.

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무중력 상태에서의 전기분해 실험 라

중력상태에서는 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하면서 물 밖으로

나온다. 그러나 무중력상태에서는 생성된 기체의 거동에 변화가 있을 것이라 예상

된다. 전극에서 생성된 기포는 부력을 가지고 있기 때문에 상승하는 운동량을

가지고 있을 것이다. 다음 실험은 전기분해 장치를 자유낙하장치에 넣어 무중력

상태가 되었을 때 기포의 거동에 어떤 영향을 주는지 알아보았다.

[실 험]

1) 전기분해 실험 장치를 자유낙하상자 안에 넣는다.

2) 양쪽 전극에 전기를 연결하여 전기분해를 시킨다.

3) 실험 장치를 자유낙하 시키면서 기포의 움직임과 형태를 관찰한다.

[결과 및 고찰]

자유낙하 전, 후(중력 상태) 자유낙하 할 때 (무중력 상태)

관찰 결과

왼쪽 그림은 자유낙하 하기 전에 물의 전기분해시 전극에서 생성되는 수소와

산소기체가 발생하는 모습으로 수면으로 기체가 뿜어져 나가고 있다. 오른쪽

그림은 무중력 상태에서 전극에서 생성된 기체가 상단부에서 크게 원형으로

모여 있는 모습이다. 이 결과는 순간적으로 무중력 상태가 되면서 기포를

상승시키던 부력이 제거되면서 공기 중으로 기체가 빠져 나가지 못하고 정체

되면서 큰 기포덩어리를 만든 것으로 여겨진다.

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무중력 상태에서의 염 낙하 실험 마

상자 상단에 진한 염산을 놓고 하단에 암모니아수를 놓고 수직방향으로 기체

확산을 시키면 염화암모늄염이 상단 염산표면에서부터 생성되어 연속적으로 바닥에

떨어진다. 본 실험에서는 염이 상단 염산 표면에서 생성되기 때문에 무중력 상태가

되면 염산에서 빠져 나온 염은 계속 하단으로 떨어지려는 관성력을 가지고 있고

떨어지기 직전에 염화암모늄은 정지관성력을 가지고 있기 때문에 제자리에 있으려는

성질 때문에 연속적으로 떨어지는 염 줄기가 끊어지리라 예상된다. 다음 실험은

수직으로 낙하하는 염이 형태가 무중력상태에서 어떤 변화를 나타내는지 알아

보았다.

[실 험]

1) 염 낙하실험 장치를 자유낙하상자 안에 넣는다.

2) 실험 장치를 자유낙하 시키면서 낙하하는 염 줄기 형태에 어떤 변화가 생기는지

관찰 한다.

[결과 및 고찰]

자유낙하 전, 후(중력 상태) 자유낙하 할 때 (무중력 상태)

관찰 결과

무중력 상태에서 떨어져 내리던 염이 멈추는 현상이 나타났다. 이는 무중력

상태에서 멈추어 있던 염은 계속 그 자리에서 있고 떨어지는 염은 관성력이

있기 때문에 계속 등속운동을 하고 있기 때문이다.

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무중력 상태에서의 중화적정 실험 바

중화적정 실험을 할 때 뷰렛에 표준용액을 넣고 한 방울씩 떨어뜨린다. 그러나

무중력 상태에서는 중력이 없기 때문에 용액이 흘러내리지 않는다. 그러나 본 자유

낙하 장치는 중력 상태에서 무중력 상태로 순식간에 변화하기 때문에 뷰렛을 통해

흘러나오는 용액에 영향을 주리라 예상할 수 있다. 다음 실험은 무중력 상태에서

뷰렛을 통해 흘러내리던 용액이 어떻게 변화되는지 알아보았다.

[실 험]

1) 뷰렛에 용액을 넣고 자유낙하상자 안에 넣는다.

2) 자유낙하 시키면서 뷰렛을 통해 한 방울씩 떨어져 내리던 용액이 어떻게 변

화되는지 관찰한다.

[결과 및 고찰]

자유낙하 전(중력 상태) 자유낙하 시(무중력 상태) 자유낙하 후(중력 상태)

관찰 결과

그림에서 보여주는 것처럼 자유낙하 전에 용액이 뷰렛에서 연속적으로 떨어

지지만 자유낙하 하면서 용액이 떨어지지 않았다. 이 결과는 뷰렛에서 떨어진

용액 방울은 낙하를 계속하려는 운동관성으로 계속 떨어졌고 떨어지기 직전의

용액은 정지 상태를 그대로 유지하려는 정지관성 때문에 그 자리에 머물러

있기 때문에 나타난 현상이다. 자유낙하 후 무중력 상태가 끝나면서 용액이

다시 흐르기 시작하는데 이때 처음 상태보다 더 많은 용액이 분출되는 현상이

관찰되었다. 이 결과는 짧은 순간 뷰렛 끝에 모여 있게 된 용액이 흐르면서

나타난 현상으로 해석된다.

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무중력 상태에서의 자석 교반 바의 제거 실험 사

바자석교반기를 이용하여 용액을 녹인 후에 자석 교반자석을 꺼낼 때 자석 교반

바 제거 자석 스틱을 사용한다. 중력상태에서는 자석 스틱을 용액 속에 자석 가까이 대면 자기력에 의해 자석을 꺼낼 수 있다. 그러나 무중력 상태에서는 자석 바의 무게 효과가 없으므로 중력 상태에서는 붙지 않던 거리에 있던 자석이 무중력이 상태에서는 붙으리라 예상을 하고 다음 실험을 하였다.

[실 험]

1) 메스실린더 바닥에 교반 자석 바를 넣고 자석이 붙지 않는 위치에 자석스틱을

고정시켜 놓는다.

2) 실험 장치를 자유 낙하 시키면서 자석간의 변화를 관찰한다.

[결과 및 고찰]

자유낙하 전(중력 상태) 자유낙하 시(무중력 상태) 자유낙하 시(무중력 상태)

관찰 결과

그림에서 보여주는 것처럼 자유낙하 시 무중력 상태가 되면서 자석 교반

바가 떠올라 자석스틱에 달라붙는다. 이 결과는 무중력 상태에서는 자석 바의

무게 효과가 없어지고 자기력은 그대로 있기 때문에 떨어진 상태에 있던 자석이

자기력에 의해 떠올라 자석스틱에 달라붙게 되는 것이다. 또한 이 결과를

통해 자기력은 중력의 영향을 받는 힘이 아니라는 것을 입증한다. 이는 무중력

상태에서 압력이 필요한 장치를 개발할 때 자기력이 매우 유용한 수단이라는

것을 말해준다.

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무중력 상태에서의 액체 비중 실험 아

액체 비중계는 비중계의 무게와 그것에 작용하는 부력을 평형하게 만들어 액체의

비중을 측정하는데 사용한다. 부력의 원인이 중력에 있기 때문에 무중력 상태에서는

부력 측정이 가능하지 않으리라 예상되어 액체 비중 실험을 다음과 같이 설계

하였다.

[실 험]

1) 메스실린더에 10% 소금물을 넣고 비중계를 넣는다.

2) 비중계 실험 장치를 자유 낙하 시키면서 비중계의 위치 변화를 관찰한다.

[결과 및 고찰]

자유낙하 전, 후(중력 상태) 자유낙하 할 때 (무중력 상태)

관찰 결과

다음 비중계 실험에서 보는 것처럼 무중력 상태에서 비중계에 물속으로 더

가라앉는 현상이 나타났다. 이 결과는 무중력상태가 되면서 물에 잠긴 체적

만큼의 부력이 제거되면서 더 물속으로 들어갔다고 볼 수 있다.

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Ⅵ. 결론 및 전망

본 연구에서는 지상에서 구현하기 어려운 무중력 현상을 쉽게 관찰할 수

있는 무중력 실험 장치를 제작하였고, 자유낙하 장치라는 제한된 조건에서

중력의 영향을 받을 수 있는 화학반응을 찾아내어 실험이 가능하도록

실험기구를 개발하여 중력에서 무중력 상태로 바뀔 때 어떤 변화가 생기는지

알아보았다. 연구의 결과는 다음과 같다.

1. 자유낙하 실험 장치를 통해 지상에서도 무중력 현상을 쉽게 구현할

수 있었다.

2. 자유낙하 장치에서 중력의 영향을 볼 수 있는 실험을 8가지 고안하고

실험 장치를 개발하였다.

3. 무중력 상태에서는 양초 연소 시 대류가 일어나지 않기 때문에 불꽃

모양이 구형이 되었다.

4. 무중력 상태에서는 알짜 힘이 액체방울에 표면장력뿐이므로 액체의

모양이 구형이 되었다.

5. 무중력 상태에서는 무게가 없기 때문에 무게에 의한 외부 힘의 변화를

시키는 장치에 의해서 보일의 법칙을 입증할 수 없다.

6. 무중력 상태에서는 용액 중에서 생성된 기체에 작용하는 부력이 없기

때문에 상승하지 못하고 한 곳에 모여서 큰 기포를 형성한다.

7. 무중력 상태에서는 정지관성과 운동관성으로 인해 수직방향으로 염이

낙하하지 않는다.

8. 중력상태에서 무중력 상태로 바뀌면서 뷰렛에서 흐르던 용액 줄기가

끊어지는데 이는 용액의 정지관성과 운동관성으로 설명할 수 있다.

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9. 무중력 상태에서 교반 자석의 무게 효과가 제거되기 때문에 중력

하에서 떨어져 있던 자석 사이에 강한 자기력만 작용하면서 서로

붙는다.

10. 부력의 원인이 중력 때문에 생긴다는 사실을 실험으로 검증하였고,

액체비중계를 사용하여 비중 측정은 무중력 상태에서 가능하지

않다는 결과를 얻었다.

본 연구를 통해 아주 특수한 상황에서만 가능했던 무중력 상태에서의

실험을 간단한 장치를 통해 여러 가지 화학반응들이 중력상태에서 무중력

상태로 되면서 어떻게 달라지는지 구현할 수 있었다.

본 실험에 사용된 자유낙하 장치는 제작비가 저렴하고 작동이 간편할 뿐

아니라 무중력상태에서의 다양한 물리화학적 반응에 대한 정보와 지식을

쉽게 얻을 수 있다는 점에서 향후 심도 있는 연구가 필요하다고 볼 수 있다.

따라서 우주시대를 맞이하여 우주에 대한 호기심이 날로 증가하는 학생,

일반인 및 과학자에게 관련 지식을 얻기에 효과적인 장치로서 앞으로 활용

가치가 매우 크리라 여겨진다.

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참고문헌

1. 김봉래, 화학II(하이탑), 두산동아(2007)

2. 김경은, 한번만 읽으면 확 잡히는 중학교 과학, 한언(2007)

3. 김현경, 정영규, 켐트렉, 자유아카데(2005)

4. 옥스토비, 일반화학, 화학교재편찬위원회, 청문각(2005)

5. 대학화학교재연구회, 기초일반화학, 동화기술(2007)

6. 김명녀, 일반화학실험, 청문각(1996)

7. 김민식, 일반화학실험, 지구문화사(1995)

8. 물리교재편찬위원회, 일반물리학, 출판사 범한서적(2007)

9. 엄정인, 수학 없는 물리, 홍릉과학출판사(2006)

10. 김종권 외, 물리II (하이탑), 두산동아(2007)

참고사이트

1. 네이버 백과사전

http://100.naver.com/100.nhn?docid=65122

2. 한국우주인 배출 사업

http://www.woojuro.or.kr/

3. 사이언스 타임즈

http://www.sciencetimes.co.kr/data/article/11000/0000010131.jsp

4. 국립중앙과학관 홈페이지

http://www.science.go.kr/

5. 키즈 푸른빛 초등과학 (http://study.kids.empas.com/science/)

http://kdaq.empas.com/qna/298756

6. 한국항공우주연구원 자료 ⓒScience Times

http://www.sciencetimes.co.kr/data/article/11000/0000010131.jsp

7. 미국 항공우주국(NASA)

http://www.nasa.gov/