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과학 탐구 보고서
탐구주제 : 타워크레인
학년 반 번
1. 탐구동기 : 높은 아파트가 많이 지어지고 있는 요즘, 그것을 도와주는 타워크레인의 원리가 궁금하였는데, 이번 방학 과학탐구를 통하여 좀 더 자세히 조사해보고 k-nex로 제작가지 해보게 되었다.
2. 탐구를 통하여 알고 싶은 점 : 타워크레인의 제작방법과 원리를 알아보고, 타워크레인이 무거운 물체를 들어 올릴 수 있는 원리에 대해 알아보고 싶다.
3. 탐구방법 : 건축업계에서 일하시는 친구아버지를 만나서 사전 준비해간 질문을 하며 정확한 사실을 알아보고, 인터넷을 통하여 좀 더 많은 내용을 알아보았으며, k-nex를 활용하여 직접 제작해보았다.
4. 탐구내용
- 실제 타워크레인 제작법
1. 타워크레인은 세로 부분인 마스트와 가로부분인 지브로 구성되어 있으며 이것은 설치되기 전에는 낱개로 분리되어 있으며 설치를 위해서는 많은 재료가 준비되어야 한다.
2. 바닥 기초에 앵커를 매설하고 콘크리트 타설로 기초 부위를 튼튼하게 다진 후 그 위에 마스트를 하나하나 결합한다.
3. 지브의 짧은 부분인 카운터 지브를 먼저 조립하고 다음에 긴 부분인 메인 지브를 조립하며 양 지브는 타이바(tie bar)로 마스트와 견고하게 연결된다.
4. 카운터 지브에 주로 콘크리트 블록으로 구성되어 있는 카운터 웨이터 또는 발라스트를 조립하면 메인지브와 카운터지브의 무게 중심이 맞게 된다.
5. 위와 같이 일단 타워크레인 설치가 완료되면 다음부터 타워크레인 스스로가 올라가야 합니다. 주로 운전석 바로 밑에는 유압잭이 달려 있어 유압잭을 작동시켜 잭 윗부분 전체를 들어 올려 마스트1개가 들어갈 공간을 만든다. 6. 공간이 형성되면 바닥에 준비되어 있는 새로운 마스트를 타워크레인 지체로 들어올 공간의 이동레일에 올려놓고 설치 기술자가 밀어 놓고 볼트나 핀으로 결합하게 되는데 고난도의 기량이 요구되는 부분이다. 다르게 말…(생략)
해서 텔레스코핑 케이지가 마스트 위에 있는 텐 테이블을 기준으로 하여 상단의 유닛을 들어 올리게 된다. 이때에 마스트와의 빈 공간을 만들어지게 된다. 이렇게 빈공간이 생기게 되면 마스트를 직접 타워크레인 자신의 마스트를 빈 공간까지 인양을 하게 되는 것이다. 이렇게 인양된 마스트는 빈 공간까지 옮겨져 조립되어 지는 것이다.이런 방법으로 마스트 한단 한단을 조립하여 밑에서 보기에 아찔한 높이까지 타워크레인이 올라가는 것입니다.
- 타워크레인이 물건을 드는 원리
타워크레인이 물건을 드는 원리는 도르래의 원리를 알면 해결이 된다.
타워크레인에 사용되는 도르래는 고정도르래와 움직도르래가 있다.
고정 도르래에서는 줄이 바퀴에서 떨어지는 점이 힘점과 작용점이 된다. 그러니까 가운데 받침점에서 힘점과 작용점이 같은 거리에 있게 되는 것이다. 따라서 물체를 들어 올리는 데는 물체의 무게와 같은 크기의 힘이 필요하게 된다는 것이다.움직도르래에서는 받침점, 작용점, 힘점이 일직선으로 되어 있다. 움직도르래는 받침점이 작용점 밖에 있는 지레와 마찬가지이다. 따라서 힘점에 작용하는 힘은 작용점에 작용하는 힘의 1/2이 된다.
조금 더 간단하게 설명하자면 고정도르래는 축의 한쪽은 위로 힘 반대쪽은 아래로 힘을 받으니 총 2F의 힘을 받게 된다.?그리고 움직도르래는 위쪽으로 회전 없이 F의 힘으로 올려 진다. 그리고 고정도르래에서 물체가 둘레의 반만큼 움직일 때 움직도르래는 둘레만큼 움직인 것이다.
모두 W = F? x? s?로 설명이 가능하다.
-내가 만든 타워크레인의 특징
우선 하중이 많이가는 기초 마스트, 마스트를 매우 튼튼하게 만들었고, 메인지브와 카운트지브를 마스트의 가로길이와는 다르게 만들어서 마스트와 지브를 봉합수술한 것 처럼 하여 겉보기에는 허술하면서도 튼튼하게 만들어 지브가 움직일 수 있게 만들었다. 그렇게 함으로서 마스트에는 조금 더 적을 힘이 가해질 것이고, 지브는 움직일 수 있지만 k-nex 의 많은 부품을 사용하여 튼튼하게 만들어서 적은 충격으로 많은 무게를 들 수 있도록 만들었다. 또, 도르래를 많이 사용하여 실이 부드럽게 잘 굴러가도록 했다. 무게를 감당하기 위해서 메인지브에 많은 k-nex를 사용했으며, 메인지브의 길이 = 카운트지브의 길이 *2~3 정도로 했다.
그리고 비교적 길이가 짧은 부품을 많이 씀으로써 그만큼 마스트에 충격이 덜 가게 했습니다.
(움직도르래를 잘 활용하지 못하여 실패하였지만 3번의 도전 끝에 성공해 냈습니다.)
5. 알게된 점 : 우리 주위에서 흔하게 볼 수 있는 타워크레인이 여러가지 복잡한 과정을 통해 만들어지며 텔레스코핑 이라는 것을 통하여 그 사이사이에 마스트를 끼워 넣는 걸 조사하면서 엄청난 놀라움을 느끼게 되었다. 그리고 도르래의 원리 덕분에 무거운 것을 들 수 있다는 것도 알게되었다.
6.느낀점 : 건축가가 꿈이였던 저는 평소에 수없이 많은 건축현장을 지나면서 ‘타워크레인 같은 것은 그냥 어떻게든 만들면 되겠지하며 당연히 있어야 되는 것이라고 생각하고 그냥 흘겨보기만 했던 타워크레인이라는 것이 제작이 이렇게 힘든 줄 이번 기회에 알게 되었다. k-nex 부품을 이용해 이렇게 작은 타워크레인을 만드는 것이 이렇게도 복잡하고 , 힘든 작업인데 공사장에서는 어떻게 많은 종류로 나눠져 있는 부품을 용도에 맞게 사용하여 그렇게 높고, 잘 부숴지지도 않는 크레인을 만들 있다는 것이 매우 놀라웠다. 인터넷을 통하여 원리를 살펴보고, 트러스 구조에 대해 알아보고, 혼자서 밑면의 크기, 마스트의 견고함, 지브의 구조 등을 열심히 생각해 보아도 많이 접해보지 못한 부분이여서 아직은 생소한 느낌이 들었다.
이렇게 재미있고, 또 그만큼 가치있는 k-nex를 통한 학습은 나에게 많은 발전을
할 수 있는 계기를 마련해 주었다. 건축가가 꿈이면서 나의 꿈에 대해 아무것도 모르고 있던 내가 한심해보이기도 했다.
생활 속에 숨어서 우리에게 집을 짓거나, 무거운 물체를 드는 것에 크나큰 도움을 주는 과학의 힘이 놀라웠으며, 내가 과학을 좋아하는 이유가 바로 이렇게 과학이 우리에게 도움을 준다는 것 때문이라는 생각도 들기도 했다.
이제부터 가까운 생활 속에서 과학의 원리를 알아보며 열심히 공부해야겠다.
7. 참고문헌 : 건축쪽에서 일하는 건축가의 블로그 + 네이버 지식IN을 검색하였고, 친구아버님에게 직접 물어보았으며 과학책으로 도르래의 원리에 대해 공부하였다.
8.내가 만든 타워크레인 설계
밑면은 퍼지게 만들어서 무게 분산을 많이 하고, 힘이 될 수 있게 만들었고,
마스트는 9개의 점을 중심으로 매우 섬세하고 튼튼하게 만들어서 잘 부러지지 않게했다. 튼튼하게 많이 하기위해 긴 부품보다는 짧은 부품을 많이 사용하였으며, 지브와는 크기를 다르게 만들어 봉합하는 형식으로 튼튼히 연결 할 수 있도록 마스트에만 1~1.5kg정도의 무게를 투자했다. 부품이 몇 몇 부품에 치우치기는 했지만 튼튼하게 만들었다.
앞에 설명했던 밑면은
이런 모양으로 해서 왠만한 무게는 거의 다 견딜수 있게하였다.
타워크레인 부분별 명칭
도르래 원리 비교
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