계란낙하 구조물 빨대 - gyelannagha gujomul ppaldae

실험 목표
빨대로 계란이 받는 충격을 최소화하는 구조를 만들어 5층에서 낙하시켰을 때 깨지지 않도록 한다

준비물
계란, 빨대, 테이프, 가위, 카메라

낙하체 디자인과 그 이유
계란을 보호하기 위해선 낙하시 가해지는 힘인 중력과 반대되는 힘인 공기 저항을 극대화 시킬 필요가 있었다. 때문에 공기 저항 계수가 가장 큰 도형인 정육면체로 낙하체를 디자인 했으며 공기와 계란 구조물이 접촉하는 면적을 넓히기 위하여 테이프로 면을 만들었다. 또한 뼈대를 튼튼하게 하기 위해 3개의 빨대를 겹쳐 하나의 모서리를 만들어 정육면체를 만들었다. 겉 뼈대를 다 만든 후 내부에 계란을 넣고, 양쪽 끝을 빨대를 이용해 고정시켜 낙하체를 완성하였다.

관련 이론
계란 구조물이 공기와 같은 유체 속에서 자유 낙하할때 계란 구조물에는 중력, 부력, 항력이 작용한다. 중력은 물체의 질량에 중력 가속도를 곱한 값으로 물체가 낙하하는 동안 일정하다. 부력은 어떤 물체에 의해서 배제된 부피만큼의 유체의 무게에 해당하는 힘으로, 항상 중력의 반대 방향으로 작용한다. 또한 물체가 유체 내에 정지해 있을 때와는 달리, 유체 속에서 운동
하는 경우에는 물체의 운동에 저항하는 힘인 항력이 발생하는데, 이 힘은 물체의 운동 방향과 반대로 작용한다. 항력은 유체 속에서 운동하는 물체의 속도가 커질수록 이에 상응하여 커진다. 항력은 마찰 항력과 압력 항력의 합이다. 마찰 항력은 유체의 점성 때문에 물체의 표면에 가해지는 항력으로, 유체의 점성이 크거나 물체의 표면적이 클수록 커진다. 압력 항력은 물체가 이동할 때 물체의 전후방에 생기는 압력 차에 의해 생기는 항력으로, 물체의 운동방향에서 바라본 물체의 단면적이 클수록 커진다. 계란이 낙하할 때 처음에는 중력 때문에 계란 구조물의 낙하속도가 점점 증가하지만, 이에 따라 항력도 커지게 되어 마침내 항력과 부력의 합이 중력의 크기와 같아지게 된다. 이때 물체의 가속도가 0이 되므로 계란 구조물의 속도는 일정해지는데, 이렇게 일정해진 속도를 종단 속도라 한다. 유체 속에서 상승하거나 지면과 수평으로 이동하는 물체의 경우에도 종단 속도가 나타나는 것은 이동 방향으로 작용하는 힘과 반대 방향으로 작용하는 힘의 평형에 의한 것이다. 또한 여러 가지 도형들 중 공기 저항 계수가 가장 큰 도형은 정육면체이다.

결과 및 피드백
결론적으로 계란은 깨지지 않았다. 낙하 할 때 보니 생각보다 공기 저항이 커져서 다른 친구들의 낙하체에 비해 확실히 늦게 떨어지는 모습을 확인할 수 있었고, 뼈대를 튼튼히 만들었기에 낙하체 자체에도 조금의 파손이 가지 않았다. 딱히 아쉬운 점은 없었으나, 굳이 피드백을 하자면 구조를 만드는 과정에서 생각보다 많은 시간이 소비 되었다. 다른 친구들의 낙하체는 빠른 시간에 만들고도 계란이 깨지지 않았다. 물론 우리 낙하체라면 5층이 아닌 더 높은 층에서도 문제는 없겠지만 5층이라는 높이에 비해 조금 많은 투자를 하지 않았나 싶기도 하다.

요새는 과학적인 사고와 문제해결 능력을 심어주기 위해서 중고등학교부터 이러한 "달걀 낙하 대회(스턴트 달걀 대회)"들을 하는 것 같으나, 당시에는 대학교때에 처음 접했던 것이었습니다.

물리학과 1학년때에 참여하였고, 그때 우승하였던 모델입니다.  

학교마다 평가기준이 각기 다르지만, 저희 학교에서 진행되었던 "자연과학도의 달걀" 대회는 위와같이 대략 3.5m~4m 정도 되는 위치에서, 달걀을 자유낙하 시켜서 달걀이 시멘트 바닥에 떨어질때에 달걀이 깨지지 않도록 하는 형태였습니다. 물리학의 모든 문제는 [주어진 조건속에서 최선의 결과]를 얻는 것입니다.

** 평가기준 **
1. 날달걀이 깨지지 않을 것.
2. 아이디어 - 10점 만점
3. 최소질량 - 10점 만점(4g이하-10점, 5g-9점, ... 13g-1점)
4. 표적판 점수 - 10점 만점: 지면(시멘트 바닥)에 동그랗게 표적판을 그리고, 착지한 지점의 점수
위의 3가지 항목의 총점으로 순위를 정함.

** 제가 만들었던 달걀 **

1. 재료 - 빨대(요구르트용), 두꺼운 종이, 접착제
2. 질량 - 날달걀은 대략 70g(좀 큰편이었던듯), 부착물 질량이 4.96g(저는 극한상황에 도전한 경우이므로, 차용하는 경우에는 1g정도 더 보강하시기 바람. 접착제 무게 제외)
   : 검정색 모나미 볼펜이 대략 8g으로, 다른 참가자들은 모두 13g이 넘어가서 참가자중 질량항목에서 점수를 받은것은 유일했던 것으로 기억됩니다.
3. 주요 아이디어
    1) 주체측에서는 평가기준과 사용할 날달걀만을 줄뿐 재료나 제작방법에 제한을 두지 않았는데, 주요한 평가항목중 최소질량 항목이 있기에 가벼우면서도 날달걀을 깨지지 않고 보호할 수 있는 방법을 선택할 필요가 있었습니다.
    2) 빨대는 매우 약한 재질이어서 쉽게 휘어지지만, 빨대가 매우 강할때가 있으며, 그것은 힘을 수직으로 받을때입니다. 힘을 수직으로 받을때에 빨때는 강체처럼 행동하며, 실제로 수직으로 낙하하는 경우 구부러지지 않고 그대로 버티거나, 쪼개집니다.
    3) 빨대를 달걀의 옆면에 부착하여, 달걀이 지면과 직접적이거나 또는 수직으로 힘을 받는 것을 피하는것이 중요합니다. 일반적으로는 달걀과 지면이 직접적으로 접촉이 없게 하는 방법이 가장 좋으나, 이번문제의 경우에는 평가기준이 매우 높은 수준의 최소질량을(13g 이하) 요구하기에 옆면에 부착하는 방식을 선택하였습니다.

옆에 부착한 다리가 지면과 접촉시 달걀을 감속시키고(일반본드-마르는데 몇시간 걸렸음.), 충격량이 달걀에 전달될때에 달걀 표면에 수직으로 전달되지 않고 분산될 수 있도록 하였습니다. 지면과 충돌시 다리구조가 무너지지 않도록 수직을 유지하고, 튼튼하게 서로 접착시키는 것이 필요합니다.
    4) 날개 - 달걀의 윗부분에 3개의 두꺼운 종이로된 날개를 비스듬히 달았고, 날개의 주요한 목적은 달걀이 상하로 회전하는 것, 즉 달걀의 역전을 방지하는 것입니다. 이를 통해서 달걀이 한방향으로 착지하도록 할 수 있고, 이에따라 부착물의 질량을 줄이고, 착지의 효율을 높일수 있습니다. 실제 낙하시 날개가 달걀에 직접 부착되어 있으므로, 달걀과 날개가 멋지게 회전합니다.
    5) 옆면의 작은 빨대 조각 - 달걀이 낙하시 회전관성모멘트와 착지시 충격에 의해서 쓰러지게 되기에 이때 달걀 옆면이 받게되는 충격에 대해서 완충작용을 하도록 설치되었으며, 쓰러지는 정도의 충격에는 빨대의 작은 조각이면 충분하였습니다.

대부분 날개의 역할에 대해서 회전을 통해서 낙하속력을 줄이는 것만 생각하나, 날개는 낙하속력을 줄이는 것보다 달걀의 상하회전을 방지하여(달걀의 특성상 회전하여 어느방향으로 떨어질지 알기 어렵기 때문에~) 부착물의 질량 및 착지의 효율을 높이는 의도로 설치되었습니다.

간단히 설명해서, 달걀이 회전하여 어느방향으로 떨어질지를 알 수 없다면, 모든 방향을 커버할 수 있도록 부착물을 설치해야 합니다. 6면체로 간주해 보면, 6배의 재료가 소요되며, 날개는 그것을 한방향으로 떨어지도록 컨트롤하는 셈입니다.

4. 기타
    1) 당시에 검정색 모나미 볼펜의 질량이 대략 12g 정도 였던 것으로 기억됩니다. 따라서, 5g의 부착물로 달걀을 깨지지 않게 만든것은 매우 괜찮은 아이디어입니다. 대회전날 테스트로 만들었던 달걀은 5m 높이에서의 실험에 성공했었습니다.
    2) 대회당일 주최측에서 나누어준 달걀에 부착물을 설치하여 물리학과 과방에 가지고 갔을때 반응은, 선배님들이 "중력을 너무 무시하는 거 아니냐" 하는 반응이 대부분이었고, 달걀이 깨질것이라는 평가가 주류였습니다.
    3) 당시에 구상한 모델은 2가지 였으며, 그중에 위의 모형이 좀더 심플하고 멋있었습니다.
    4) 당시에 사용한 일반본드는 질량이 많이 나가고(사용한 본드질량이 1g을 넘어섬), 굳는 속도가 느린반면, 굳은후에 약간의 신축성이 있어서 복원력이 작용하였습니다. 제작시간이 짧은 경우 접착제를 좀더 빠르게 굳는 것으로 변경할 필요가 있습니다.
    5) 타원형의 달걀을 손에 쥐고 있다 놓을때 약간 주저하는 경우, 붙잡고 있던 두손가락에서 달걀이 벗어나는 데에 시간차이가 생기고 이에따라 달걀이 처음부터 기울어져서 떨어지게 되는 경우가 있습니다. 물론, 날개의 작용으로 인해서 수평상태로 복원이 되나, 짧은 낙하시간으로 인해서 달걀이 수직으로 완전히 자리잡지 못한 상태에서 낙하될 위험이 있습니다. 이러한 것을 방지하기 위해서 낙하시 달걀을 위로 살짝 던지는 방법이 괜찮습니다. 이는 결국 달걀이 좀더 높은 곳에서 자유낙하하도록 하지만, 달걀의 날개가 작동할 시간과 안정성을 향상시킵니다.
    6) 이 모델을 응용하고자 할 경우 주의사항은, 이 모델은 주어진 조건(대략 4m와 평가요소중 13g 이하의 질량 평가항목)에서 최선의 결과를 얻어내기 위한 아이디어라는 점입니다. 조금이나마 질량을 줄이기 위해서 빨대와 날개를 달걀에 직접 부착하는 방식을 택한 것이 그 이유입니다. 그러나, 빨대를 옆면에 부착할 경우에도 지면과 충돌시 충격량이 어느정도 달걀에 전달되게 됩니다.

(좀더 보강할 경우 수직의 6개의 축을 8개내지 ~10개로 확장하는 방법, 수직으로 붙이는 빨대를 약간 경사지게(바깥방향으로-10도 내외)하는 방법이 괜찮을 것으로 보입니다.)

따라서, 매우 높은 곳에서의 낙하의 경우에는 빨대를 직접 달걀에 붙이는 방식 또한 충격량이 전달되어서 위험할 수 있습니다. 그러나, 위 방법을 조금 응용한다면 매우 높은곳에서의 낙하문제에도 매우 작은 질량으로 적용할 수 있습니다. 무엇보다도 주어진 조건(여기서는 평가조건)을 잘 살펴보시고 그에따라 대응하면 됩니다. 가령 달걀의 자체질량(ex.70g) 이하의 부착물 설치 조건으로 평가가 이루어 지는 경우 70g 이하의 부착물이면 모두 되기에 그에 맞게 보강제를 더하시면 됩니다.