STEAM R&E 연구결과보고서

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STEAM R&E 연구결과보고서

(바람의 직진성을 높이는 최적의 선풍기 탐구)

2017. 11. 30.

진주제일여자고등학교

< 연구 결과요약서 >

과 제 명 바람의 직진성을 높이는 최적의 선풍기 탐구

연구목표 ○ 여름철 선풍기의 바람을 보다 멀리 보내는 방안을 마련한다.

○ 선풍기 바람의 직진성 높이는 방안을 마련한다.

연구내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

○ 보텍스링을 이용한 공기대포의 원리

- 상자를 치면 상자 안의 공기는 수축하게 되고 구멍을 통하여 배출되면서 공기는 구멍의 가장자리에서 저항을 받아 바깥쪽으로 소용돌이치기 때문에 도넛 같은 띠를 형성하면서 날아간다. 또한 회전관성이 작용하여 회전을 유지하려 한다.

○ 풍력발전기에서의 집풍장치

- 집풍장치를 통하여 바람의 속도를 향상시키고 바람에너지 이용률이 향상하게 된다.

□ 연구 주제 선정

○ 일반 선풍기는 공기가 넓게 퍼져서 혼자 사용하거나 멀리서 이용하는 데 부적절해 직진성이 강한 최적의 선풍기를 만들기를 시도하게 되었다.

□ 연구방법

일반 선풍기 → 집풍장치 공기대포 전면보호망 → 최적의 선풍기 제작

○ 모든 실험에 동일하게 작용되는 기법

- 측정 결과의 오차를 줄이기 위해 철망을 행거에 고정시켜 풍속 측정 보조 장치를 만든다.

- 풍속 측정 보조 장치를 선풍기로부터 40cm, 80cm, 120cm, 160cm, 200cm 떨어진 곳에 설치하고 최대 풍속과 최소 풍속을 측정한다.

- 포그 머신으로 연기를 발생시켜 바람의 진행 방향을 확인하고 영상을 촬영한다.

- 모든 실험은 3번 반복해서 평균값을 각 실험의 결과로 삼는다.

□ 연구활동 및 과정

○ 시행착오 극복 : 선풍기의 크기 축소

- 초기 실험에서는 일반 선풍기를 사용하여 실험을 진행하였다. 변인통제가 제대로 이뤄 지지 않아 오차가 자주 발생하였다. 정확한 측정을 위해 보조 장치가 필요하였다. 일반 선풍기에 맞는 크기의 보조 장치를 만드는 데에는 어려움이 있었다. 선풍기의 크기를 축소시켜 휴대용 선풍기를 이용해 실험을 진행하였다.

○ 일반 선풍기의 거리에 따른 풍속과 바람의 직진성 측정

- 일반 선풍기로부터의 거리가 10cm, 30cm, 50cm, 70cm 지점의 풍속 측정 - 거리가 멀어질수록 풍속이 급격히 떨어지며 바람이 멀리까지 도달하지 않는다.

- 직진성이 약해 바람이 30cm에서 급격히 퍼지기 시작하여 가장자리까지 도달한다.

일반 선풍기 풍속

측정위치(cm) ^단위(m/s)

40 최대 0.0 2.8 3.4 2.9 2.1 1.2

최소 0.0 2.0 3.1 2.8 1.7 1.1

80 최대 0.0 1.7 1.9 2.1 1.9 1.6

최소 0.0 1.5 1.8 2.0 1.9 1.0

120 최대 1.3 1.5 1.6 1.5 1.4 1.2

최소 1.2 1.4 1.4 1.4 1.1 1.1

160 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

200 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

○ 집풍장치의 위치에 따른 집풍 효과 비교

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- 선풍기로부터의 거리가 10cm, 30cm, 50cm, 70cm 지점에 집풍장치 설치 후 풍속 과 직진성 측정

- 30cm의 위치에서 직진성이 가장 우수해 가장자리에는 바람이 도달하지 않는다.

집풍장치 위치 (30cm) 풍속

40 최대 0.0 1.6 3.3 3.5 2.0 0.0

최소 0.0 1.3 3.2 2.6 1.8 0.0

80 최대 0.0 1.8 2.3 2.1 1.5 0.0

최소 0.0 1.7 2.2 2.0 1.3 0.0

120 최대 0.0 1.4 1.5 1.6 1.4 0.0

최소 0.0 1.1 1.3 1.6 1.3 0.0

160 최대 0.0 1.0 1.1 1.2 1.1 0.0

최소 0.0 0.6 1.0 1.0 1.0 0.0

200 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

○ 집풍장치의 입구의 모양에 따른 집풍 효과 비교

- 입구의 모양이 원형, 삼각형, 사각형, 육각형인 집풍장치 설치 후 직진성과 풍속 측정

- 집풍장치의 모양에 상관없이 풍속은 일정하다.

- 집풍장치의 모양이 원형에 가까울수록 직진성이 가장 높아 가장자리에는 바람이 도달하지 않는다.

○ 집풍장치의 폭의 길이에 따른 집풍 효과 비교

- 폭의 길이가 5cm, 10cm, 15cm인 원형 집풍장치 설치 후 직진성과 풍속 측정 - 풍속과 직진성 모두 폭의 길이가 긴 15cm에서 가장 우수하게 나타난다.

○ 공기대포와 스피커를 접목한 후 바람의 직진성 및 풍속 측정 - 스피커를 활용한 공기대포의 집풍효과를 확인한다.

- 하드보드지를 이용해 폭 54cm, 지름 36cm, 입구의 크기 16cm 인 공기 대포를 제작한다. 휴대용 선풍기를 공기 대포 입구에 설치한 후, 스피커의 진동수를 1~5Hz로 변화시켜 풍속을 측정하여 가장 멀리까지 도달하는 최적의 진동수를 찾 는다. (단, 이때 전압은 10V로 일정하게 유지한다.)

▲ 스피커로 쳤을 때 ▲ 손으로 쳤을 때

- 스피커의 진동수가 2.25Hz일 때 보텍스링이 가장 잘 만들어졌으며나, 손으로 쳤 을 경우보다 링의 크기가 작았으며, 멀리까지 도달하지 못하였다.

- 일정 진동수 이상으로 올라갈 경우 공기대포 내부에 있던 공기가 밖으로 나오지 못하고 입구에서만 맴돌게 되면서 공기가 외부로 빠져나오지 못하게 되고, 보텍 스링이 관찰되지 않는다.

○ 공기대포와 선풍기를 접목 시킨 후 진동수에 따른 바람의 직진성 및 풍속 측정 - 앞 실험에서 만든 공기대포를 이용하여 휴대용 선풍기를 공기 대포 앞에 설치한

후, 진동수를 1Hz, 2Hz, 2.25Hz, 3Hz로 변화시켜 풍속을 측정하고 집풍 효과가

가장 큰 최적의 진동수를 찾는다. (단, 이때 전압은 10V로 일정하게 유지한다.) - 진동수에 따라 선풍기 바람의 직진성과 풍속을 측정 후 최적의 진동수를 찾는다.

- 진동수가 2~2.25Hz 일 때 보텍스링이 가장 잘 만들어졌으며 직진성이 가장 좋았다.

- 일정 진동수 이상으로 올라갈 경우 보텍스링이 잘 나타나지 않아 풍속과 집풍효과가 좋지 않다.

○ 선풍기 전면 보호망 모양에 따른 바람의 직진성 측정

- 선풍기 전면보호망이 유무에 따라 풍속을 측정하고, 포그머신을 이용해 바람의 퍼 짐 정도를 확인한다. 전면보호망의 모양을 바꾸어 같은 과정을 진행한다.

- 전면보호망 설치 시 풍속과 직진성이 제거했을 때보다 높게 나타난다.

- 나선형의 전면보호망을 설치했을 때, 풍속과 직진성 모두 우수하게 나타난다.

- 전면보호망의 날의 밀도에 따라 풍속이 달라지는데, 날이 소한 곳보다 밀한 곳에 서 상대적으로 바람이 세지는 것이 확인되었다.

연구성과

□ 연구 결과

○ 집풍장치 없이 공기대포의 보텍스링이 집풍 효과를 발휘할 수 있다.

- 집풍장치의 폭이 길수록 집풍 효과가 높아지는데 공기대포의 보텍스링이 연속적으로 나오게 되면서 집풍장치의 역할을 대신하여 바람의 직진성을 높여준다.

- 보텍스링의 속력 보다 선풍기의 속력이 빠르면 선풍기에 빨려 들어가면서 보텍스링이 작아지면서 각운동량 보존에 따라 보텍스링의 속력이 빨라져 균형을 이룬며 나간다.

○ 선풍기 전면보호망으로 바람을 회전시키면 더 멀리까지 바람이 도달한다.

□ 시사점

○ 연구 활동을 통해 얻은 학습 효과

- 일반 선풍기에서 발생하는 문제점을 찾고 이를 해결하기 위한 다양한 방안을 고안하는 과정에서 사고가 확장되었다.

○ 개선점

- 스피커는 세기가 약해 보텍스링이 제대로 확인되지 않다. 센 스피커를 활용한다.

- 보텍스링이 나아가는 속도보다 선풍기의 속도가 더 빠르면 보텍스링이 선풍기에 빨려 들어간다.

□ 향후 계획

○ 스피커를 부착한 공기대포와 선풍기의 접목

- 스피커에 충분한 세기와 빠르기로 작동시킬 수 있는 증폭기를 탐색하여 연구를 진행한다.

○ 풍속과 직진성이 높은 공기대포 구현

- 보텍스링의 속도와 선풍기의 풍속을 일정한 비율로 변화시켜 풍속과 직진성이 높은 공기대포를 구현한다.

주요어

(Key words) 바람, 선풍기, 집풍장치, 공기대포, 보텍스링, 직진성, 전면보호망

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< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○연구 동기

- 우리가 흔히 사용하는 선풍기는 시원한 공기가 넓게 퍼져서 혼자 사용하거나 멀리서 이용하는 데 부적절하다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 직진성이 강한 최적의 선풍기 만들기를 시도하게 되었다.

○여름철 선풍기의 바람을 보다 멀리 보내는 방안을 마련한다.

○선풍기 바람의 직진성을 높이는 방안을 마련한다.

○실생활에서 적용 가능한 멀리 가고 자신만 사용할 수 있는 선풍기를 탐구하여 최적의 선풍기를 제작한다.

□ 연구범위

○일반 선풍기의 거리에 따른 풍속과 직진성의 정도 측정

○가장 효과적인 집풍장치 탐구

- 집풍장치를 활용하여 집풍장치의 위치, 입구의 모양, 폭의 길이에 따른 바람의 직진성과 풍속 상승효과 측정

- 공기 대포에 적용 시 동일 효과를 내는지 확인

○가장 효율적인 공기 대포의 진동수와 진폭 탐구

- 선행연구를 바탕으로 공기 대포를 제작하고 선풍기를 접목

- 공기 대포에 연결된 스피커의 진동수와 진폭에 따른 바람의 직진성과 풍속 상승효과 측정

○선풍기 전면 보호망의 모양에 따른 풍속과 직진성의 정도 측정

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○파스칼의 원리

- 유체(기체나 액체) 역학에서 밀폐된 용기 내에 정지해 있는 유체의 어느 한 부분에서 생기는 압력의 변화가 유체의 다른 부분과 용기의 벽면에 손실 없이 전달된다는 원리.

○각운동량보존법칙법칙

- 회전하는 물체는 각운동량(angular momentum)이라는 물리량을 갖는 다. 어떤 물체가 회전할 때의 각운동량은 그 물체의 질량과 선속도와 회전반경의 곱으로 이루어진다. - 외부에서 힘이 작용하지 않으면 회전하는 물체가 각운동량이 보존된다. 이를 각운동량

보존의 법칙이라 한다.

- 각운동은 ^  ∙  ∙  로 질량은 일정하기 때문에 반지름이 작아지면 속도가 빨라지기 때문에 구멍을 작게 할수록 속도가 빨라질 것이다.

○보텍스링의 원리

- 보텍스링은 상자 속에 있다가 구멍을 통해 빠져나오면서 속도가 빨라진 공기가 외부에 있던 공기와 부딪쳐 속도가 천천히 줄어들어 상자구멍의 가장자리로 밀리면서 안쪽에서 바깥쪽으로 회전하는 소용돌이가 생겨 만들어진다.

- 보텍스링은 회전하면서 앞으로 나아가기 때문에 주위의 공기와의 마찰이 작아 회전 에너지를 쉽게 잃지 않는다. 그래서 매우 먼 거리까지도 날아 갈 수 있고, 보텍스링을 맞으면 충격을 느낄 수도 있다.

- 공기대포를 발사하면 상자의 부피가 순간적으로 줄어들면서 압력이 커져 공기가 밀려나 오는데, 이 때 밀려나온 공기가 앞으로 나가면 주위의 공기가 뒤쪽으로 소용돌이치며 빨려든다.

- 상자에서 나온 연기는 주위에서 밀려드는 공기 때문에 흩어지지 못하고 고리모양으로 소용돌이치게 된다. 또한 구멍의 크기는 진동된 공기가 분출 될 때의 압력을 변화시킨다.

즉 단위면적당 가해진 힘인 압력은 상자의 구멍이 작을수록 연기가 더 강하게 날아간다.

○보텍스링을 이용한 공기대포의 원리

- 상자를 주먹으로 치면 상자안의 공기는 순간적으로 수축 하게 되고 이 압력은 구멍을 통하여 바깥쪽으로 배출되면 서 공기대포로부터 나오는 공기는 구멍의 가장자리에서 저항을 받아 바깥쪽으로 소용돌이치기 때문에 연기모양을 보면 도넛 같은 띠를 형성하면서 날아간다.

○공기의 직진성을 높이기 위한 사전 연구

- 2012년 동아리 선배들이 공기 대포로 바닥 온도를 높이는 방안 연구 활동을 하였다.

○풍력발전기에서의 집풍장치의 실효성

- 집풍형 풍력발전기(깔때기 형)를 설치할 경우 집풍장치를 통하여 바람의 속도와 바람에너지 이용률이 향상된다.

- 집풍형 풍력 발전기의 원리: 집풍장치를 통하여 자연 바람의 속도를 향상시키고 풍력발전기의 로터를 돌리게 된다. 이렇게 하여 바람에

너지가 집풍하게 되고 동시에 기동 풍속이 증가하게 되고 바람에너지이용률이 향상하게 된다.

○사전 연구에 대한 본 연구의 발전 방향

- 공기 대포를 바닥의 온도를 높이는 방안 대신 선풍기에 접목해 선풍기 바람을 멀리까지 보내는 방안에 적용한다.

- 풍력발전기에서의 집풍장치를 실생활에 적용하여 선풍기 앞에 집풍장치를 설치하면 효과가 나타날 것이다.

- 보텍스링 만으로는 바람의 양이 적어 선풍기의 시원한 효과는 떨어질 것이다.

- 선풍기를 작동시키고 공기대포를 쏴 보텍스링을 만들어 보내면 보텍스링이 집풍장치 역할을 해줄 것이다.

[그림 1] 집풍장치의 원리

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□ 연구 방법

○전체 연구 진행 도식화

일반 선풍기 → 집풍장치 공기대포 전면보호망 → 최적의

선풍기 제작

○모든 실험에서 동일하게 적용되는 기법

- 측정 결과의 오차를 줄이기 위해 철망을 행거에 고정시켜 풍속 측정 보조 장치를 만든다.

아래 그림처럼 칸을 따라 좌우로 풍속 측정기를 이동시키며 연속적으로 풍속을 측정한 다. (참고로 선풍기의 중앙부분과 높이가 같은 줄에서만 풍속을 측정한다.)

→ →

- 풍속 측정 보조 장치를 선풍기로부터 40cm, 80cm, 120cm, 160cm, 200cm 떨어진 곳에 설치하고 최대 풍속과 최소 풍속을 측정한다.

- 포그 머신으로 연기를 발생시켜 바람의 진행 방향을 확인한다. 정확도를 높이기 위해 영상을 촬영한다.

- 모든 집풍장치는 도화지로 제작한다.

- 모든 실험은 3번 반복해서 평균값을 각 실험의 결과로 삼는다.

○선풍기의 크기 축소

- 초기 실험에서는 일반 선풍기를 사용하여 실험을 진행하였다. 하지만 변인통제가 제대로 이뤄지지 않아 오차가 자주 발생하였고, 보다 정확 한 측정을 위해 보조 장치를 설치하기로 하였다. 일반 선풍기에 맞는 적절한 크기의 보조 장치를 만드는 데에는 어려움이 있어 선풍기의 크기를 축소시켜 휴대용 선풍기를 이용해 실험을 진행하였다.

□ 연구 활동 및 과정

가. 일반 선풍기의 거리에 따른 풍속과 바람의 직진성 측정

○실험 설계

- 실험 목적: 현재 사용하고 있는 선풍기의 원래 풍속과 직진성 정도를 알아본다.

- 실험 내용: 휴대용 선풍기를 스탠드에 설치하고, 아무런 장치가 없는 상태에서 거리에 따른 풍속을 측정한다. 포그머신을 이용해 선풍기 바람의 흐름을 확인하여 직진성을 확인한다.

- 가설: 거리가 멀어질수록 풍속이 약해지고 직진성이 좋지 못할 것이다.

- 준비물: 휴대용 선풍기, 풍속계, 줄자, 검은색 천 - 장치: 포그머신, 풍속 측정 보조 장치(행거 + 철망)

[그림 14]초기 실험 장치

○실험 과정

- 과정1: 선풍기 풍속 측정

- 과정2: 포그머신을 이용해 선풍기 바람의 흐름 확인

[그림 15] 과정 1: 일반 선풍기 풍속 측정

[그림 16] 과정 2: 일반 선풍기 바 람의 흐름

○실험 결과 (3번 실험 후 평균값 적용)

일반 선풍기 풍속

40 최대 0.0 1.9 3.6 3.3 2.0 1.0 최소 0.0 1.5 2.9 3.1 1.8 0.8 80 최대 0.0 1.7 2.0 2.1 1.9 1.2 최소 0.0 1.3 1.8 1.9 1.3 0.9 120 최대 0.8 1.4 1.5 1.5 1.4 0.8 최소 0.3 0.9 0.9 0.9 0.8 0.4 160 최대 0.0 0.3 0.4 0.4 0.0 0.0 최소 0.0 0.3 0.3 0.3 0.0 0.0 200 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

○결과 고찰( 혹은 결과 분석 등 )

- 거리가 멀어질수록 풍속이 급격히 떨어지며 바람이 멀리까지 도달하지 않는다.

- 직진성이 약해 가장자리까지 바람이 도달한다.

나. 집풍장치의 위치에 따른 집풍 효과 비교

○실험 설계 - 실험 설계

⦁실험 목적: 선풍기로부터의 거리가 집풍장치의 직진성과 풍속 상승효과에 미치는 영향 을 알아본다.

⦁실험 내용: 입구의 모양이 원형인 집풍장치를 선풍기로부터 10cm, 30cm, 50cm, 70cm 떨어진 곳에 위치시키고 풍속을 측정한다. 이때 집풍장치는 옆면의 폭을 10cm로 하여 만든다.

- 가설: 집풍장치가 선풍기로부터 가까울수록 집풍이 잘 될 것이다.

- 준비물: 휴대용 선풍기, 풍속계, 줄자, 검은색 천, 스탠드, 도화지 - 장치: 포그머신, 풍속 측정 보조 장치, 집풍장치

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○실험 과정

[그림18] 10cm 위치 [그림19] 70cm 위치 [그림20] 50cm 위치 [그림21] 30cm 위치

[그림 22] 10cm 위치 [그림 23] 30cm 위치 [그림 24] 50cm 위치 [그림 25] 70cm 위치

- 실험 결과 (3번 실험 후 평균값 적용)

○집풍장치가 10cm에 위치했을 때

집풍장치 위치 (10cm) 풍속

40 최대 0.0 2.2 3.4 3.3 1.9 0.5 최소 0.0 1.7 3.0 3.0 1.5 0.4 80 최대 0.7 1.5 1.9 2.0 1.7 0.9 최소 0.5 1.2 1.5 1.5 1.3 0.8 120 최대 0.7 0.9 1,4 1.4 0.9 0.7 최소 0.6 0.8 0.9 1.2 0.7 0.6 160 최대 0.0 0.7 0.7 0.7 0.3 0.0 최소 0.0 0.6 0.5 0.6 0.2 0.0 200 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

- 집풍장치가 30cm에 위치했을 때

40 최대

최소

80 최대 0.8 1.4 2.0 2.4 1.9 0.4 최소 0.6 1.2 1.7 2.0 1.5 0.2 120 최대 0.0 1.3 1.6 1.7 1.3 0.0 최소 0.0 1.1 1.5 1.5 1.1 0.0 160 최대 0.0 0.4 1.2 1.3 0.4 0.0 최소 0.0 0.0 1.1 1.2 0.0 0.0 200 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

40 최대

최소

- 풍속은 대체적으로 비슷하지만, 집풍장치가 가장 가까이에 위치한 10cm에서 가장 높게 나타난다.

⦁집풍장치를 통과하는 바람의 양이 가장 많아 풍속이 높게 나타난다.

○30cm의 위치에서 직진성이 가장 우수해 가장자리에는 바람이 도달하지 않는다. 반면, 30cm의 위치를 제외한 실험에서는 직진성이 약해 가장자리까지 바람이 도달한다.

⦁일반선풍기의 바람이 퍼지기 시작하는 위치인 30cm에 집풍장치를 설치했을 때의 직진 효과가 가장 높이 나타난다.

다. 집풍장치의 입구의 모양에 따른 집풍 효과 비교

⦁실험 목적: 집풍장치 입구의 모양이 집풍장치의 직진성과 풍속 상승 효과에 미치는 영향을 알아본다.

⦁실험 내용: 집풍장치를 선풍기로부터 30cm 떨어진 곳에 위치시키고 집풍장치의 입구의

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모양을 변화시켜 풍속을 측정한다. 단, 이때 집풍장치는 원형, 삼각형, 사각형, 육각형으 로 제작하며 각 집풍장치는 선풍기가 내접하는 크기로 제작한다. 집풍장치는 옆면의 폭은 10cm로 하여 만든다.

- 가설: 집풍장치 입구의 모양이 원형에 가까울수록 집풍이 잘 될 것이다.

○실험 과정

[그림 30] 원형 집풍장치 [그림 31] 삼각형 집풍장치 [그림 32] 사각형 집풍장치 [그림 33] 육각형 집풍장치

[그림 34] 원형 집풍장치 [그림 35삼각형 집풍장치 [그림 36사각형 집풍장치 [그림 37육각형 집풍장치

○실험 결과 (3번 실험 후 평균값 적용) - 집풍장치의 입구가 원형일 때

집풍장치 모양(원형) 풍속

- 집풍장치의 입구가 삼각형일 때

집풍장치 모양(삼각형) 풍속

- 집풍장치의 입구가 사각형일 때

집풍장치 모양(사각형) 풍속

- 집풍장치의 입구가 육각형일 때

집풍장치 모양(육각형) 풍속

- 집풍장치의 모양에 상관없이 풍속은 일정하다.

- 집풍장치의 모양이 원형일 때 직진성이 가장 높아 가장자리에는 바람이 도달하지 않는 다.

⦁집풍장치에서 선풍기의 넓이를 제외한 부분이 적은 모양의 순으로 직진성이 좋게 나타 나는 것을 확인할 수 있다. 선풍기가 집풍장치에 내접하도록 제작하였기 때문에 원형모 양일 때 직진성이 가장 높다.

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라. 집풍장치의 폭의 길이에 따른 집풍 효과 비교

⦁실험 목적: 선풍기로부터의 거리가 집풍장치의 직진성과 풍속 효과에 미치는 영향을 알아본다.

⦁실험 내용: 집풍장치를 선풍기로부터 30cm 떨어진 곳에 위치시키고 집풍장치의 입구의 모양을 변화시켜 풍속을 측정한다. 단, 이때 집풍장치는 원형, 삼각형, 사각형, 육각형으 로 제작하며 각 집풍장치는 선풍기가 내접하는 크기로 제작한다. 집풍장치는 옆면의 폭은 10cm로 하여 만든다.

- 가설: 집풍장치 폭의 길이가 길수록 집풍이 잘 될 것이다.

○실험 과정

[그림 42] 폭이 5cm일 때 [그림 43] 폭이 10cm일 때 [그림 44] 폭이 15cm일 때

[그림 45] 폭이 5cm일 때 [그림 46] 폭이 10cm일 때 [그림 47] 폭이 15cm일 때

○실험 결과

- 집풍장치 폭이 5cm일 때

집풍장치 폭(5cm) 풍속

40 최대

최소

- 풍속과 직진성 모두 폭의 길이가 긴 15cm에서 우수하게 나타난다.

⦁길이가 길수록 집풍을 오래할 수 있기 때문에 효과가 높게 나타난다.

라. 공기대포와 스피커를 접목한 후 바람의 직진성 및 풍속 측정

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⦁실험 목적: 공기대포와 스피커를 접목할 때에도 집풍효과가 나타나는 지 확인한다.

⦁실험 내용: 하드보드지를 이용해 선행연구에서 최적의 결과로 나온 모양의 공기 대포를 제작한다. 휴대용 선풍기를 공기 대포 입구에 설치한 후, 스피커의 진동수를 1~5Hz로 변화시켜 풍속을 측정한다. 이를 각각 3회 반복해서 평균값을 구한 후 가장 멀리까지 도달하는 최적의 진동수를 찾는다. (단, 이때 전압은 10V로 일정하게 유지한다.) - 가설: 공기대포의 후면을 진동수 3Hz, 전압 10V로 설정한 스피커로 쳤을 때 보텍스링이

가장 멀리 나갈 것이다.

- 준비물: 휴대용 선풍기, 풍속계, 줄자, 검은색 천, 하드보드지, 테이프, 끈

- 장치: 포그머신, 풍속 측정 보조 장치, 공기대포, 스피커, Vernier Power Amplifier, MBL 기기

○실험 과정

- 과정1: 공기대포에 스피커 장착, Vernier Power Amplifier 사용해 MBL 기기 연결

- 과정2: 포그머신을 이용해 선풍기 바람의 직진성 확인

○실험 결과

- 스피커의 진동수가 2.25Hz일 때 보텍스링이 가장 잘 만들어졌으며 직진성이 가장 좋았 다.

- 손으로 쳤을 때와 스피커를 사용했을 때 보텍스링의 크기와 직진성에서 확연한 차이를 보인다.

⦁스피커를 사용했을 때보다 손으로 공기대포의 후면을 쳤을 때 보텍스링의 크기가 훨씬 컸으며, 더 멀리까지 나아갔다.

- 스피커의 진동수가 2.25Hz일 때 보텍스링이 가장 잘 만들어졌으며 직진성이 가장 좋았 다.

⦁손으로 쳤을 경우보다 링의 크기가 작았으며, 멀리까지 도달하지 못하였다.

- 일정 진동수 이상으로 올라갈 경우 보텍스링이 만들어지지 않았다.

⦁일정 진동수 이상으로 올라갈 경우 공기대포 내부에 있던 공기가 밖으로 나오지 못하고 입구에서만 맴돌게 되면서 공기가 외부로 빠져나오지 못하게 되고, 보텍스링이 관찰되지 않는다.

마. 공기대포의 진동수에 따른 바람의 직진성 및 풍속 측정

⦁실험 목적: 공기대포의 진동수에 따라 선풍기의 집풍 효과와 바람도달거리가 어떻게 변하는 지 알아본 후, 최적의 진동수를 찾는다.

⦁실험 내용: 앞 실험에서 만든 공기대포를 이용하여 휴대용 선풍기를 공기 대포 앞에 설치한 후, 진동수를 1Hz, 2Hz, 2.25Hz, 3Hz로 변화시켜 풍속을 측정한다. 이를 각각 3회 반복해서 평균값을 구한 후 바람이 가장 멀리까지 도달하고, 집풍 효과가 가장 큰 최적의 진동수를 찾는다. (단, 이때 전압은 10V로 일정하게 유지한다.)

⦁가설: 공기대포의 후면을 진동수 2.25Hz로 설정한 스피커로 쳤을 때 보텍스링이 가장 멀리 나갈 것이다.

○준비물: 휴대용 선풍기, 풍속계, 줄자, 검은색 천, 하드보드지, 테이프, 끈

○장치: 포그머신, 풍속 측정 보조 장치, 공기대포, 스피커, Vernier Power Amplifier, MBL 기기

○실험 과정

- 진동수가 1Hz일 때 바람의 직진성 및 풍속 측정

○실험 결과 - 공기대포 없을 때

공기대포 제거 시 풍속

40 최대 0.0 0.0 1.2 1.8 1.8 1.5 0.0 0.0 최소 0.0 0.0 1.0 1.6 1.5 1.1 0.0 0.0 80 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 1.1 1.0 1.1 0.0 최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.8 0.7 1.0 0.0 120 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 160 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 200 최대 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 최소 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

- 진동수가 1Hz일 때

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선풍기와 공기대포(1Hz) 접목 풍속

- 진동수가 2.25Hz일 때

선풍기와 공기대포(2.25Hz) 접목 풍속

- 공기대포의 진동수가 2Hz일 때 보텍스링이 가장 잘 만들어졌으며 직진성이 가장 좋았다.

⦁손으로 쳤을 경우보다 링의 크기가 작았으며, 멀리까지 도달하지 못하였다.

- 일정 진동수 이상으로 올라갈 경우 집풍효과가 줄어든다.

⦁일정 진동수 이상으로 올라갈 경우 보텍스링이 잘 나타나지 않아 풍속과 집풍효과가 좋지 않다.

바. 선풍기 전면 보호망 모양에 따른 바람의 직진성 측정

⦁실험 목적: 선풍기 전면보호망의 모양이 바람의 직진성과 풍속에 미치는 영향을 확인한 다.

⦁실험 내용: 선풍기 전면보호망이 있을 때와 없을 때에 풍속을 측정하고, 포그머신을 이용하여 바람의 퍼짐 정도를 육안으로 확인한다. 선풍기 전면보호망의 모양을 다양하게 바꾸고, 같은 과정을 진행한다.

- 가설: 선풍기의 전면보호망이 있을 때 직진성이 더 높고, 모양이 나선형일 때 전면보호망 이 바람을 회전시켜 직진성이 가장 높을 것이다.

- 준비물: 휴대용 선풍기, 풍속계, 줄자, 검은색 천, 테이프, 끈, 다양한 모양의 전면보호망 - 장치: 포그머신, 풍속 측정 보조 장치

○실험 과정

- 과정1: 선풍기의 전면 보호망을 제거했을 때 풍속 및 직진성 확인 - 과정2: 선풍기의 전면 보호망이 나선형일때 풍속 및 직진성 확인 - 과정3: 선풍기의 전면 보호망이 직선형일때 풍속 및 직진성 확인

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[그림 60] 제거 [그림 61] 나선형 [그림 62] 직선형

○실험 결과

- 전면보호망을 제거했을 때

전면보호망(제거) 풍속

- 전면보호망이 나선형일 때

전면보호망(나선형) 풍속

- 전면보호망이 직선형일 때

전면보호망(직선형) 풍속

- 전면보호망을 설치했을 때의 풍속과 직진성 모두 제거했을 때보다 확연히 높게 나타난 다.

⦁전면보호망은 집풍의 역할을 한다.

- 나선형의 전면보호망을 설치했을 때, 풍속과 직진성 모두 우수하게 나타난다.

⦁나선형의 날이 바람을 회전시켜 소용돌이의 형태로 나아가게 한다. - 보호망의 날의 밀도에 따라 풍속에 변화가 발생한다.

⦁보호망의 날로 인해 생긴 빈 부분을 채우기 위해 바람이 이동하는 과정에서 풍속에 차이가 나타나기 때문에 날이 밀한 곳이 소한 곳보다 풍속이 세다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○집풍장치 없이 공기대포의 보텍스링이 집풍 효과를 발휘할 수 있다.

- 집풍장치의 폭이 길수록 집풍 효과가 높아지는데 공기대포의 보텍스링이 연속적으로 나오게 되면서 집풍장치의 역할을 대신하여 바람의 직진성을 높여준다.

- 보텍스링의 속력 보다 선풍기의 속력이 빠르면 선풍기에 빨려 들어가면서 보텍스링이 작아지면서 각운동량 보존에 따라 보텍스링의 속력이 빨라져 균형을 이룬며 나간다.

○선풍기 전면보호망으로 바람을 회전시키면 더 멀리까지 바람이 도달한다.

□ 시사점

○집풍장치를 이용해 오직 특정 부분에만 선풍기 바람을 보낼 수 있다.

- 넓은 범위가 아닌 특정 범위에서 선풍기를 사용하는 경우, 기존의 선풍기를 이용하는 경우보다 효율적으로 바람을 보낼 수 있을 것이다.

○멀리 있는 곳까지 선풍기 바람으로 효과적으로 전달할 수 있다.

- 콘센트가 곳곳에 있지 않고 전선의 길이가 충분히 길지 않은데 부엌과 같은 특정한 장소에서 일을 해야 할 때, 선풍기 바람을 효율적으로 보낼 수 있을 것이다.

○위의 두 특성을 무대장치,~등에 적용할 수 있다.

○공기대포의 후면을 손으로 쳐 작동시켰기 때문에 일정한 세기와 빠르기로 치기에 부적절 하다. 이를 해결하기 위해 접목한 스피커는 세기가 약해 보텍스링이 제대로 확인되지 않는다. 따라서 충분한 세기와 빠르기로 작동시킬 수 있는 기기를 탐색하여 적용한다.

○집풍장치는 선풍기에 고정된 것이 아니라 따로 설치하는 기기이기 때문에 공간적으로 효율적이지 않다. 집풍장치를 선풍기 자체에 장착할 수 있는 방안을 강구한다.

○전면보호망의 날의 밀도에 따라 풍속이 달라지는데, 날이 소한 곳보다 밀한 곳에서 상대적으로 바람이 세지는 것이 확인되었다. 향후에 바람을 일정히 보내기 위해 날의 간격을 일정히 유지시켜 전면보호망을 제작한다.

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4. 홍보 및 사후 활용

□ 교재 과제연구 논문집 게재

□ 학교 홈페이지 게시

□ 향후 계획

○ 스피커를 부착한 공기대포와 선풍기의 접목

- 스피커에 충분한 세기와 빠르기로 작동시킬 수 있는 증폭기를 탐색하여 연구를 진행한 다.

○ 풍속과 직진성이 높은 공기대포 구현

- 보텍스링의 속도와 선풍기의 풍속을 일정한 비율로 변화시켜 풍속과 직진성이 높은 공기대포를 구현한다.

5. 참고문헌

○김대영, 김한영, 신재렬, 박재근(2006). 건물 풍력발전을 위한 집풍장치 성능 연구

○김인수, 김성규 외 3명(2013). STEAM 교육을 위한 융합과학실험 Field Manual 1, 2

○왕호팽(2013). 집풍비율과 속도변화에 따른 자동차용 풍력발전기의 발전 효과

○라온(2012). YSC ‘최적의 보텍스링에 대한 연구와 활용방안 탐구’

○미래를 준비하는 기술교사 모임(2010). 테크놀로지의 세계 3

○서울과학교사모임(2011).시크릿 스페이스,

○한국전기제품안전협회(2012). 선풍기(Electric Fan)의 원리