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탐구주제
빨대구조물 만들기
탐구목표
- 빨대를 사용하여 구조물을 만들 수 있다.
- 어떤 구조가 튼튼한지 알 수 있다.
- 무게분산에 대한 원리를 알아보고 탐구 할 수 있다.
탐구하게 된 동기
요번 방학을 계기로 친구들과 창의력 올림피아드라는 대회를 나가게 되었다. 그 대회에서 연극, 빨대구조물 등을 과제로 내주게 되었다. 그래서 탐구보고서를 빨대구조물에 대해 쓰면 좋을 것 같아 이 보고서를 쓰게 되었다.
그리고 또다른 이유를 대자면 다리, 건물 등 부서지는 건물들이 많이 있는데 이런 건물들이 어떻게 부서 졌는지 이런 다리나 건물을 부서지지 않는 구조로 지으려면 어떻게 해야하는지 궁금하였기 때문이다(마침 대회가 있어서 같이 해보게 되었다.)
탐구절차와 방법
- 조건
1) 빨대 구조물을 만들 때 접착제를 사용할 수 있다. 단 접착제를 사용하지 않으면 무게*2 를 할 수 있다.
2) 빨대 구조물의 크기는 가로*세로*높이가 20*20*(20~21)cm로 제작되어야 한다.
3) 빨대 구조물 전체의 무게는 25g 이내로 한다.
4) 빨대 구조물의 중앙에는 안전기둥이 통과할 수 있도록 지름 10cm이상의 내부공간을 만들어야 한다.
5) 빨대 구조물의 `구조물 측정기` 바닥에 세울 수 있어야 하며(즉 측정기 바닥보다 크면 안 되고 흔들리면 안 된다), 안전지지대나 안전기둥에 닿으면 안 된다(닿으면 지름이 10cm이상 되지 않는다는 뜻).
6) 구조물 제작에 사용되는 빨대는 시중에서 판매하는 직경 5mm의 플라스틱 빨대를 사용한다(강도가 높거나 직경이 5mm가 아닌 빨대는 안 된다).
7) 빨대의 강도를 높이기 위하여 접착제 이회의 실, 철사, 테이프, 낚싯줄, 에나멜선 등은 사용할 수 없다.
- 탐구방법
1)구조물 측정기의 안전 기둥은 외부지름이 2.5cm이다. 빨대 구조물의 중심 내경검사에 사용되는 측정기는 8~10cm의 실린더이다.
2)빨대구조물을 측정기판 위에 올려놓고 바벨을 올리기 시작한다.
3)빨대…(생략)
구조물이 파손되면, 그것이 파손되기 직전까지의 바벨 무게로 효율성을 판정한다.
4)접착제를 사용하지 않고 구조물을 만들었을 경우에는 올린 바벨 무게의 2배를 지탱한 것으로 인정한다.
->(표1)과 같은 구조물 측정기로 측정을 한다.
구조물 측정기의 규격
단 위
부 품
인 치
센티미터
측정기판
18in x 18in
45.7cm x 45.7cm
안전지지대 높이
7in
17.8cm
안전지지대 기둥
(표면의 한변길이)
4in x 4in
10.2cm x 10.2cm
안전 기둥의 높이
28in
71.1cm
안전 기둥의 지름
1in
2.54cm
압력판 구멍의 지름
2in
5.1cm
(표1) 구조물측정기의 규격
- 빨대구조물 만드는 방법
12.5cm 길이의 변의 정사각뿔로 형태는 잡고 가로축의 모서리는 불로 지져 구부리고 그 부분을 손으로 눌러 늘린 수 펀칭하여 그곳에 속을 빨대로 꽉 채운 빨대(빨대를 세로로 길게 짤라 집어넣는데 4개를 집어넣는다)로 4개의 축을 세운다. 3단에 주기둥 4개, 부기둥 16개를 세우고 기둥과 단을 빨대로 자른 줄로 탄탄하게 묶는다. 그리고 빈 사각부분에 짧은 기둥을 사선으로 넣어 기둥이 돌아가는 것을 방지한다. 빈 사각부분에 짧은 기둥을 세우는 방법은 끝을 불로 지진 후 펀치로 반원만큼 파면 둥근 빨대에 마법처럼 잘 끼워진다. 이렇게 만든 빨대구조물은 24g이다. 1g을 추가하려고 약 3cm로 빨대를 잘라 부기둥 정 중앙 부분에 심을 댄다. 이 작업을 마무리 하면 25g이 된다.
빨대자르기 - 빨대끼우기 - 불로 녹이기 - 모형잡기 - 완성
탐구내용 및 결과정리
설계도1 : 만들어 보지 않고 그냥 처음에 설계도 먼저 그려본 것이라서 집접 만들어 봤을 때에는 별로 많이 버텨주지 못하였다. 5kg짜리 바벨을 올리니 부서지고 말았다. 물론 트러스 구조로 만들었지만 아마도 그때 접착제 사용도 하지 않았고 처음 만들어 보았기 때문에 튼튼하게 못 만든 탓에 아마도 많이 못 버텨 주었던 것 같다. 잘만 만들면 5kg정도는 버틸 수 있을 것 같다.
설계도2 : 이 설계도는 돌아가지 않고, 위에서부터 밑으로 점점 넓어지는 구조였기 때문에 많이 버틸 것이라 예상하였지만 강도가 너무 약해 5kg까지 버티고 5kg을 더 올리니 무너지고 말았다. 하지만 이 구조물은 접착제를 사용하였기 때문에 *2를 할 수가 없다.
설계도3 : 빨대구조물을 계속 만들어보면서 빨대는 수평보다 수직으로 세울 때 더 무게를 많이 버틸 수 있고 모서리마다 6개씩 빨대를 새워 나름 튼튼하게 만들었다. 하지만 이 빨대 구조물도 15kg까지 버티고 쓰러지고 말았다. 하지만 *2를 하여 30kg을 버틴 셈이다. 그리고 접착제를 사용 하지 않으려고 처음으로 빨대를 길게 잘라 묶어보았다. 처음으로 펀치를 뚫어 빨대를 꼈다. 삼각구조이기 때문에 바벨을 올릴 때마다 돌아간 것이 흠이었다.
설계도4 : 가장 심혈을 기울여 만든 구조물이다. 그리고 지금까지 만든 구조물 중에 가장 버티기도 많이 버틴 구조물이다. 새롭게 추가된 아이디어는 빨대를 세로로 한번 잘라 한 빨대에 그렇게 자른 빨대를 최대한 많이 집어넣어서 강도를 크게 하는 것이었고(하지만 25g을 넘으면 안 되기 때문에 모서리 4부분에만 집어넣었다) 불로 녹여 붙이는 것이었다. 이것은 접착제 사용도 안하고 강도를 높게 해주었기 때문에 총 25kg이 올라갔고, *2 하여 50kg이였다.
빨대는 수평보다 수직으로 세웠을 때 더 큰 힘을 버틸 수 있다. 예를들어 책상모양 즉 설계도 1같은 모양으로 만들려면 밑에 기둥을 많이 세우면 세울수록 더 무거운 물체를 견딜 수 있다. 기둥으로 빨대를 4개만 사용하게끔 제한이 있다면 위쪽 판을 삼각형 모양으로 만들고 삼각형의 꼭짓점에 기둥을 세운다. 그 삼각형의 무게중심이 되는 부분에 기둥을 하나 더 세우면 몇 배의 힘을 견딜 수도 있다.
여기서 무게 중심 이야기를 조금 하자면 삼각형의 무게중심은 한 꼭짓점에서 맞은편 변에 이등분선을 그어서 생기는 교점이 바로 무게중심 G점이다. 그림과 같이 A에서 A`로 선분을 긋고, B에서 B`로 C에서 C`로 선분을 그으면 가운데 G점 부분에서 겹치게 되는데 이곳이 무게중심이다.
이것을 알고 난 후에 설계도 3을 만들었다면 훨씬 잘 만들 수 있었을 것이다. 하지만 무게중심이 어디이고 과학적 지식이 없는 상태에서 무작정 만들게 되어 많이 버티지 못한 것 같다.
몇가지 자료를 덧붙여 빨대구조물과 연관지여 설명하면 여러 가지 다리의 구조가 있었다. 다리 구조를 모두 찾는데에도 시간이 많이 걸렸다.
란트러스 : 본체가 트러스만으로 구성되어 있는 교량. 초기에는 목재를 사용하였으나, 점차 발달하여 주철이나 연철의 시대를 거쳐 현재는 강트러스가 일반적으로 사용된다. 옛날의 트러스 부재가 대부분 핀으로 연결되어 있었으나, 구조가 복잡하며 내구성이 뒤지고 핀은 대개 녹이 슬어 그 작용이 완전하지 못한 결함이 있었다. 한편, 부재를 회전하지 못하도록 고정해도 큰 지장이 없음을 알게 되어 핀을 사용한 트러스교는 만들지 않게 되었다. 트러스교는 경간이 커지면 평판 거더교보다 사용강재가 적어도 되지만 공작에 많은 시간이 소요되는 불리한 단점이 있다. 그러나 개개의 부재는 크기가 작고 가벼우므로 산간벽지와 같은 운반로가 없는 곳에서는 유리하며 비교적 간단하고 손쉬운 설비로 가설할 수가 있다. 사용되는 트러스의 형식은 여러 가지가 있지만, 최근에는 평행현의 워런트러스 등이 많이 사용되고 있다.
아치교 : 아치는 주로 압력에 저항하므로 돌과 같은 재료로도 축조할 수가 있다. 그래서 석조 아치의 역사는 오래되어 로마 시대에 만들어진 것으로 현존하는 것이 많이 있다. 경주 불국사에서도 청운교 ·백운교 등 다수의 오랜 석조 아치교를 볼 수 있다. (빨대로는 아치형으로는 만들기가 어렵다. 접착제를 쓰지 않고)
위에 쓴 구조들은 가장 튼튼하다고 생각하여 설명까지 쓴 것이고 이밖에 현수교, 슬래브교, 라멘교, 보도교, 사장교, 박스교, 거더교 등이 있다.
탐구를 통하여 알게 된 점 및 느낀점
한 빨대구조물을 만들 때 무려 4시간이 넘게 걸렸지만 정말 많은 것을 느끼고 배운 것 같다. 무게중심, 어떤 구조가 잘 버티는지를 알 수 있었고, 물론 과학 쪽과는 관련이 없지만 여러 가지 아이디어(빨대를 얇게 잘라 묶기, 불로 녹여 붙이기, 칼로 잘라 구멍을 내면 일정하지 않고 빨대가 구부러져 편치를 사용한 것, 빨대에 뺄대를 채워 강도를 높인 것 등)를 많이 내어 창의력도 많이 생긴 것 같다.
사실 탐구보고서는 귀찮게만 생각하고 있었다. 하지만 내가 이런 탐구를 해볼 수 있게 해주고 만약 내가 이 탐구를 하고 보고서를 쓰지 않았다면 더 많은 지식을 알 수 있었지만 그러니까 만약에 10을 알 수 있었지만 1밖에 알지 못하고 갔을 것이다. 3학년 때에도 물론 탐구보고서를 쓰겠지만 3학년 때에는 더욱 좋은 주제를 가지고 탐구보고서를 쓰고 싶을 뿐이다. (이 보고서를 쓰면서 내가 건축가가 되도 괜찮겠다는 생각이 문득 들었다.)
지금까지 만들어본 빨대 구조물이다. 한 개를 만드는데 약 3시간에서 5시간이 걸린다.
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