[실험]빙글빙글~ 스스로 회전하는 모빌 만들기

아름다운 장식물로 사용되는 모빌은 1932년 미국의 조각가 콜더의 작품이 오브제 모빌이라는 명칭으로 불리면서 사용됐다. 어느 한 점에 고정해 두면 조각이나 공예품이 바람에 따라 움직이면서 소리가 나는 것이 가장 흔한 모빌이다. 바람이 불지 않을 때는 손으로 살짝 스쳐주면 움직이지만 과학의 원리를 이용하면 스스로 회전하는 모빌을 만들 수 있다.

[교과과정]
초등 4-2 열전달과 우리생활
초등 6-2 연소와 소화
중등 1 기체분자의 운동

[학습주제]
공기 중에서 열의 이동 이해하기
고체, 물에서 열의 이동 이해하기
전도, 대류, 복사에 대해 알아보기
생활 속에서 열이 이동하는 예 찾아보기

<실험 방법 및 원리>


<실험 동영상>



* 실험 참고사항 : 종이컵이나 나선 도면이 촛불에 닿지 않도록 주의하세요.

실험에서 나선 모형의 모빌이 스스로 회전하는 비밀은 ‘촛불’에 숨어있다. 양초에 불을 붙이면 주변 공기가 데워지면서 공기의 흐름이 바뀐다. 따뜻해진 공기는 가벼워져서 위로 올라가고 반대로 차가운 위쪽의 공기는 상대적으로 무거워져 아래로 내려온다. 이런 현상을 ‘대류’라고 하며 이런 흐름이 나선 모형을 밀어 올리기 때문에 빙글빙글 회전하는 것이다.

대류 현상은 온도에 따라 밀도가 변하기 때문에 생기는 현상이다. 대류 현상으로 공기 중에서 열이 이곳저곳으로 이동하게 된다. 대류는 기체뿐만 아니라 액체에서도 일어난다.

대류현상이 일어나는 이유는 무엇일까?
대류현상은 밀도가 높은 것은 아래로, 낮은 것은 위로 가려는 현상 때문에 생긴다. 대기에서는 햇빛 때문에 대류현상이 일어나는데, 지상 주변의 공기는 햇빛으로 가열돼 밀도가 낮아 올라가고 높은 고도에서 차가워진 공기는 다시 지상으로 내려온다. 이 때문에 기압 차이가 생겨 바람이 불거나 비가 내리는 기상현상이 생기는 것이다.

방안의 온돌에 의한 난방 방식도 대류 현상을 이용한 것이다. 방바닥이 뜨겁게 데워지면 아래쪽의 공기가 따뜻해져 위로 상승하고 위쪽의 찬 공기가 아래로 내려오고, 이런 공기의 순환이 일어나며 방안의 공기가 전반적으로 데워지는 원리다.

우리가 느낄 수 없는 곳에서도 대류 현상은 일어난다. 지구의 지각과 핵 사이에 위치한 맨틀이 그곳으로 지구 전체 부피의 82%, 전 질량의 68%를 차지할 정도로 규모가 크다. 지구 핵에 가까워질수록 온도가 높아지기 때문에 온도차에 의한 밀도변화로 대류현상이 일어난다. 맨틀은 단단한 지각과 달리 점성유체의 성질을 가지기 때문에 이 위에 지각이 떠 있는 형태다. 따라서 대류현상이 일어나면 지각의 판이 움직이게 된다.

판의 이동은 대부분 지진이나 화산의 원인이 되는 요소로, 무시무시한 자연재해로 이어질 수 있기 때문에 중요한 현상이다. 하지만 다행히도 판의 이동은 매우 느리게 일어나 우리가 느낄 수 없는 수준이며 화석이나 지질 조사를 통해서만 알 수 있다.

겨울철 물고기가 얼어 죽지 않는 이유도 대류 때문이다. 물은 섭씨 4도에서 가장 밀도가 크다. 따라서 수면 온도에 상관없이 바닥은 항상 4도로 유지된다. 수면에 얼음이 얼 정도로 기온이 낮아져도 강 전체가 쉽게 얼지 않는 이유도 대류로 물이 순환하기 때문이다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트

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[실험] 차가우면 변한다, 카멜레온 컵 만들기

무더운 여름, 밖에서 땀을 뻘뻘 흘리고 집으로 들어오면 시원한 물 한 컵 들이켜고 싶은 생각이 간절해 져요. 급한 마음에 얼음을 잔뜩 넣은 물을 벌컥벌컥 들이켰다가는 차가운 기운에 머릿속이 찌릿찌릿해 지지요. 추운 겨울에는 무심코 입을 갖다 댔다가 혀는 물론 목구멍을 데일 정도로 뜨거워 낭패를 보는 경우도 있죠. 적당한 온도를 알려주는 컵이 있으면 얼마나 편리할까요?

[교과과정]
초 4-1 모습을 바꾸는 물
초 4-2 열전달과 우리생활
중 1 물질의 세 가지 상태

[학습주제]
열의 이동
기온의 변화
상태 변화와 에너지

<실험 방법 및 원리>








*실험 주의사항 : 스티커를 붙일 때는 물을 넣지 않은 상태에서 붙여 주세요. 찬물을 붓고 붙이려면 컵 표면에 성에가 끼어 잘 붙지 않는답니다. 섭씨 10도 이하에서 색이 변하지만 그냥 찬물보다는 얼음물을 넣어야 색깔의 변화를 더 잘 관찰할 수 있어요.

실험에 사용한 시온 스티커는 상온에서는 흰색이었다가 섭씨 10도 이하로 내려가면 파란색으로 변하는 성질을 갖고 있어요. 때문에 시온 스티커를 붙인 머그컵에 얼음물을 부으면 서서히 파란색으로 바뀌는 것을 관찰할 수 있어요. 그 이유는 얼음물의 냉기가 컵을 통해 전도되면서 시온 스티커에 전달됐기 때문이예요. 일반적으로 열이 전달되는 방법은 전도, 대류, 복사가 있어요. 그중 이번 실험은 고체로 된 물질을 통해 열이 전달되는 ‘전도’ 현상 덕분에 카멜레온처럼 변하는 컵을 만들 수 있었어요. 냄비 밑바닥을 데우면 윗부분에 있는 손잡이까지 뜨거워지는 것처럼, 차가운 물의 냉기가 컵의 바깥쪽까지 전달되면서 시온 스티커의 색을 변화시킨 거예요. 시온 스티커가 온도에 따라 카멜레온처럼 색을 바꿀 수 있는 이유는 스티커에 시온 잉크가 묻어있기 때문이예요.

시온 잉크는 온도에 따라 색깔이 변하는 잉크예요. 주로 유기화합물을 사용해 만드는데, 온도에 따라 분자의 구조가 달라지거나 분자들의 배열 방법이 달라지는 성질을 이용한 거지요. 예를 들어 온도가 높아지면 특정한 화학결합이 끊어지고, 온도가 낮아지면 끊어졌던 화학결합이 다시 이어지면서 물질에 따라 다른 색을 띠게 되는 원리지요. 이렇듯 시온잉크에는 온도가 높아지거나 혹은 낮아졌다가 원래의 온도로 돌아가면 본연의 색을 찾는 종류가 있고, 한번 색깔이 변하면 다시 돌아가지 않는 종류도 있어요.

시온 잉크는 우리 주변에서 다양하게 활용되고 있어요. 머그컵이나 온도계, 프라이팬 등 온도 변화를 손쉽게 알려주는 편리한 제품들이 많이 개발돼 있어요. 업체에서도 신선한 제품임을 알리기 위해 많이 활용하지요. 한 맥주회사는 맥주병에 저온용 시온 잉크 마크를 새겨 맥주가 시원한 상태인지 한눈에 알 수 있도록 했고, 한 피자 업체는 배달용 피자 박스에 고온용 시온 잉크로 글자를 새겨 넣어 피자가 식기 전에 배달을 한다고 홍보하기도 했어요.

안전을 위한 목적으로도 유용하게 이용되고 있어요. 온도계를 사용하기 어려울 정도로 복잡한 기계일 경우, 시온 잉크를 사용해 온도를 감지하지요. 대용량 전기 장치에서 전동기나 변압기, 저항, 스위치, 도선의 접속 부위 등이 과열되면 다양한 사고가 발생할 수 있어요. 특정 온도 이상으로 과열되면 시온 잉크의 색이 변해 사고를 예방할 수 있도록 돕는답니다.

그밖에도 온도에 따라 색깔이 변하는 의류, 장미, 책, 카멜레온 매니큐어, 전구커버, 펜던트 같은 장식품 등 다양한 곳에 사용되고 있어요.

실험에 사용된 시온 잉크는 온도에 따라 색이 변하지만, 이 외에도 전기나 기압, 수분의 정도를 다르게 해 색이 변하도록 만든 물질도 있답니다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
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