< 연구 결과요약서 >
소속학교 인천원당고등학교 책임 지도교사 박○울
참여학생 조○민,송○희,김○경
과 제 명 다양한 패턴에 따른 충격력 흡수 비교 실험
연구목표 충격력을 가장 잘 흡수하는 패턴을 찾아 실생활에 적용시키는 것이다. 현재 나와 있는 다양한 보호 장비에 적용된다면 틀림없이 지금보다 더 효율적이고 안전하게 피해를 예방할 수 있을 것이다.
연구내용
[연구 방법]
1. 종이와 패턴이 있는 종이의 충격력 비교
(떨어트리는 물체, 물체를 떨어트리는 높이, 종이 사이의 간격, 종이의 재질은 통제 변인으로 놓는다.)
가. 여러 가지 패턴들을 실루엣(페이퍼 컷팅기)으로 종이에 뽑는다.
나. 실루엣으로 뽑은 패턴 종이를 제작한 아크릴 판에 같은 간격으로 꽂는다.
다. 182cm 높이에서 C 타입 건전지 2개를 묶어 떨어트린다.
라. 떨어지는 속도를 측정한다.
마. 여러 번 반복하고 뚫린 종이 개수의 평균을 구한다.
바. 충격력 식에 대입해 충격력을 구한다.
사. 패턴 없는 종이를 아크릴 판에 꽂아 다~바 과정을 반복한다.
아. 종이와 패턴 종이의 충격력을 비교해 어떤 것이 더 충격력을 잘 흡수하는지 찾는다.
2. 패턴 종이와 패턴 코팅지의 충격력 비교 -종이 대신 패턴 코팅지로 실험을 반복한다.
연구성과
반복적인 시행을 통해 충격력을 잘 흡수하는 패턴을 찾아 충격력 흡수 기구나 보호기구 등, 실생활에서 충격 흡수가 필요한 기구들에 위와 같은 패턴들을 적용할 수 있을 것이라고 본다. 예를 들어 코팅지와 재질이 비슷한 핸드폰 필름에 코팅지에서 충격력 흡수가 잘 되었던 패턴1을 적용한다. 그러면 현재 핸드폰 필름보다 더 안전하게 핸드폰 액정을 보호할 수 있을 것이다. 또, 우리가 만든 패턴들 말고도 세상에는 패턴들이 무수히 많기 때문에 제품에 알맞은 패턴들을 찾아 잘 적용한다면 현재 쓰고 있는 충격력 흡수 제품들보다 더 효율적인 것들을 만들 수 있을 것이다.
주요어
(Key words) 충격력, 흡수, 종이, 코팅지, 안전
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
가.
최종 목적은 충격력을 가장 잘 흡수하는 패턴을 찾아 실생활에 적용 시키는 것이다. 현재 나와 있는 다양한 보호 장비에 적용 된다면 틀림없이 지금보다 더 효율적이고 안전하게 피해를 예방할 수 있을 것이다.나.
가장 먼저 종이를 이용하여 다양한 패턴을 만든 다음 실험을 진행하기로 하였다. 종이 가 첫 번째 재료로 선정된 이유는 앞서 동기에서 말한 것처럼, 종이 상자와 관련된 교육 프로그램을 보다 종이 상자가 충격을 잘 흡수한다는 사실을 알게 되었기 때문이다. 종이 에도 물론 다양한 재질이 있다. 일반적인 A4용지의 재질과 좀 두꺼운 재질인 B4 도화지, 그리고 매우 얇지만 신축성이 있는 코팅지 등 종이에도 다양한 재질이 있기 때문에 실험 의 폭을 넓힐 수 있다.다.
현재 나와 있는 충격력 흡수 기구와 다양한 보호 장비들의 역할은 물체 또는 사람을 보 호하는 것이다. 하지만 최근 들어 제 역할을 하지 못한다는 뉴스 기사들이 많이 들려오 고 있는 중이다. 자동차 에어백이 작동하지 않아 운전석과 조수석에 앉은 사람의 안전이 보장되지 못했다거나, 자동차 범퍼의 방어력이 터무니없이 망가졌다거나, 그 외에도 핸드 폰 강화필름, 소방 기구인 인명구조 매트 등 실제로 많은 보호 장비들이 제 기능을 수행 하지 못하고 있는 상황이다. 그래서 연구를 하며 단순히 종이 상자의 충격력에 초점을 맞추는 것이 아닌, 좀 더 나아가 이런 불미스러운 사건을 조금이라도 줄이기 위한 연구 를 지속하여 진행하고 실험할 것이다.라.
충격력 흡수에 대한 선행 연구를 많이 찾아보았지만, 종이 같은 물체의 패턴을 이용하 여 충격력을 측정하는 실험은 아마 최초인 것 같다. 그렇기 때문에 더욱 연구에 열의가 불타올랐던 것 같고 꼭 결론을 내야겠다는 생각이 들었다. 사실 패턴을 이용하여 충격력 을 측정하겠다는 것은 평범하게 생각할 사안은 아니다. 그 사소한 차이인 패턴을 조금 달리하여 충격을 가해봤자 얼마나 달라지겠는가라는 관점이 일반적이다. 하지만 각각의 차이를 준 패턴을 가지고 실험을 해보았을 때, 미묘한 차이는 분명히 있을 것이고, 단면 적으로 실험한 결과가 그렇다면, 그 패턴을 적용시킨 보호 장비에는 그의 몇십배는 되는 면적의 패턴이 담길 것이기 때문에 눈에 띄는 효과가 나올 것이라고 생각된다. 그렇기에 연구를 더욱 열심히 하고 패턴의 도안을 계속 생각해보고 실험할 것이다.마.
처음엔 종이로만 도전을 했었는데, 재질 특성 상 모든 보호 장비가 종이와 비슷한 재질 을 가지고 있진 않다. 그렇기에 비슷한 크기의 다른 재료를 생각해 보았는데, 대표적으로 코팅지가 있다. 코팅지는 종이에 비해 신축성이 뛰어나고 얇기 때문에 아마 종이보다 보 호 장비와 더욱 유사한 재질을 가졌다고 생각한다. 그렇기에 효과도 더 좋을 것이라고 판단되어 코팅지로도 실험을 계속 해볼 생각이다.바.
코팅지 뿐만 아니라 그와 다른 재질도 역시 필요하다. 대표적인 보호 장비인 인명구조매트. 소방 기구 중 하나로 높은 곳에서 뛰어내린 사람을 받아주는 푹신한 폼 재질의 장 비이다. 이 보호 장비를 보고, 폼 재질로도 실험을 해보아야겠다는 생각이 들었다. 하지 만 폼은 종이와 코팅지와는 실험 방법이 다르다. 폼 같은 경우는 패턴을 만들기가 아무 래도 힘들기 때문에 패턴을 만들기 보다는 높이와 면적 등을 다르게 해서 어떤 모양의 폼이 충격을 더 잘 흡수할까를 알아볼 것이다. 이렇게 종이와 코팅지, 그리고 폼 등과 같 은 다양한 재료를 사용하여 맞는 패턴을 찾는다면 다양한 충격 흡수 기구들에게 적용시 킬 수 있을 거라고 생각한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
가.
다양한 패턴을 설정하고 재질의 따른 동일한 패턴의 충격 분산 비교 및 흡수 능력 또한 비교하는 패턴에 따른 충격 흡수 비교 실험을 진행하는 것인데 Sillhouette사이트에 있는 도안제작 프로그 램을 통하여 여러 개의 패턴을 조사를 통해 참고하여 제작한 후 준비하여 각 패턴을 Sillhouette CAMEO를 이용하여 패턴이 새겨져 있는 종이를 준비한 다음 이와 같은 방법으로 똑같이 여러 개의 다양한 패턴을 준비한다. 준비한 패턴을 특수 제작한 아크릴 판에 붙이고 미리 준비한 C 타입 건전지 2개를 떨어트려 찢어진 정도를 육안으로 비교하고 충격량 식에 대입하여 충격력 을 구한다음 물리량을 낸다.또 다른 방향으로는 서로 다른 재질의 재료를 준비하여 똑같은 패턴에서의 실험에서 건전 지를 떨어트렸을 때 찢어진 정도를 육안으로 비교하고 충격량 식에 대입하여 충격력을 구한 다. 위와 같은 실험을 통해서 패턴에 따른 충격 흡수를 비교하고 보다 효율적인 충격 흡수 패턴과 재질을 가려내어 자동차 범퍼, 에어백, 그리고 소방 인명 구조용 매트 등에 적용할 수 있다.
나. 이론적 배경 및 선행 연구
1) <Sillhouette CAMEO>오피스나 학교, 가정 공방에서 사용할 수 있는 개인전용 커팅 플로터이다.
간편하게 사용 가능한 전용 프로그램으로 프린터기처럼 쉽게 사용이 가능 한 제품이다. 각종 종이나 커팅필름, 비닐, 시트지 등 다양한 소재를 디자 인, 커팅 할 수 있다. 스트랩북 페이지/카드(초대장, 연하장 등), 의류디자 인, 스케치 디자인 등 다양하게 작업을 할 수 있는 커팅기이다.
2) <속도 측정기>
도플러효과를 이용하여 물체의 속력을 측정하는 기구이다. 움직이는 물체 에 초음파 등을 쏘아 반사파의 주파수 변화를 측정한다.
파원 또는 관측자의 움직임 때문에 생기는 파동의 진동수의 변화를 도플러 효과라고 한다. 물결 없는 호수에 일정한 주기로 물결을 만드는 점파원이 있으면, 모든 방향에서 같은 파장, 같은 진동수의 물결을 관찰할 수 있다.
하지만 파원이 같은 주기로 물결을 일으키며 한쪽 방향으로 움직이면 파원 이 다가가는 방향으로는 물결 사이의 간격이 좁아지고, 반대쪽으로는 간격
이 넓어진다. 즉, 파원이 움직이면 파원이 나아가는 쪽의 파동은 진동수가 커지고 뒤쪽의 파동은 진동수가 작아진다. 반대로 관찰자가 파원으로 다가가는 경우에도 파장이 짧아지고 진동수가
커진다. 그러므로 이런 진동수의 변화를 측정하면 파원과 관찰자의 움직임을 알 수 있다.
3) <충격력>
충격력은 어떤 물체에 충격량이 가해지는 경우에 작용하는 힘을 말한다. 일반적으로 작용하는 힘이 시간에 따라 변할 수 있으므로, 실제적으로 충격력은 작용하는 힘의 시간 평균값을 의미하기 도 한다.
충돌 현상에서 나타나는 물리적인 손상은 충격량이 아니라 충격력의 크기에 의해 달라진다. 움직 이던 물체가 충돌로 정지하게 되는 경우 충격량은 같더라도 충돌 시간이 짧을수록 충격력이 더 커서 물리적인 손상도 더 크게 나타나는 것이다. 따라서 충돌에 의한 물리적인 손상을 줄이려면 가능한 충돌 시간을 길게 해야 한다.
4) <충격량>
물체의 운동량에 변화를 주는 물리량으로서, 힘과 힘이 작용한 시간의 곱 를 충격량이라고 한다. 즉, 충격량은 운동량의 변화량과 같다. 따라서 충격을 주는 힘이 클수록 충격의 양이 더 클 것이며, 충격을 받고 있는 시간이 길수록 충격의 양이 클 것이다. 테니스공이 라켓에 의 속력으로 충돌한 후 의 속력으로 튀어 나갈 때 테니스공이 받는 힘은 대략 그림과 같이 나타낼 수 있다. 이때 테니스공과 라켓의 충돌 시간을 △t라고 하면 테니스공에 작용한 평균 힘은
5) <패턴>
형(型)의 동작으로서 반복되는 것, 규칙적인 것, 어느 정도 확립된 것, 어느 정도 고정된 것 등을 의미한다. 마음의 행동에는 많은 패턴을 볼 수 있다. 또 각 운동 종목에서도 제각기 고유의 패턴이 있으며, 그에 의하여 다른 운동 종목과 구별된다.
6) <인명구조 활동>
위험에 처한 인명을 구조하는 활동을 말한다. 해상에서 인명을 구조하 기 위한 이로는 직항무에 대해서 면책된다. 인명구조 활동은 생명을 구하기 위한 방법으로 선외로 빠진 인명을 구하기 위한 윌리암스 턴과 같은 방법의 항법과, 구조정 진수, 구명환을 던져주는 방법들을 모두 포함하고 또한 선박의 사고로 인한 조난자에 대한 여러 가지 구명활동을 통틀어서 말한다.
□ 연구 방법
다. 연구 방법
1) 종이와 패턴이 있는 종이의 충격력 비교
(* 떨어트리는 물체, 물체를 떨어트리는 높이, 종이 사이의 간격, 종이의 재질은 통 제변인으로 놓는다.)
가) 여러 가지 패턴들을 실루엣(페이퍼 커팅기)으로 종이에 뽑는다.
나) 실루엣으로 뽑은 패턴 종이를 제작한 아크릴 판에 같은 간격으로 꽂는다.
다) 182cm 높이에서 C 타입 건전지 2개를 묶어 떨어트린다.
라) 떨어지는 속도를 측정한다.
마) 몇 번을 반복하고 뚫린 종이 개수의 평균을 구한다.
바) 충격력 식에 대입해 충격력을 구한다.
사) 패턴 없는 종이를 아크릴 판에 꽂아 다)∼바) 과정을 반복한다.
아) 종이와 패턴 종이의 충격력을 비교해 어떤 것이 더 충격력을 잘 흡수하는지 찾는 다.
2) 패턴 종이와 패턴 코팅지의 충격력 비교
(* 떨어트리는 물체, 물체를 떨어트리는 높이, 종이(코팅지) 사이의 간격, 각각의 재질은 통제변인으로 놓는다.)
가) 여러 가지 패턴들을 실루엣(페이퍼 커팅기)으로 종이와 코팅지에 똑같이 뽑는다.
나) 실루엣으로 뽑은 패턴 종이를 제작한 아크릴 판에 같은 간격으로 꽂는다.
다) 182cm 높이에서 C 타입 건전지 2개를 묶어 떨어트린다.
라) 떨어지는 속도를 측정한다.
마) 몇 번을 반복하고 뚫린 종이 개수의 평균을 구한다.
바) 충격력 식에 대입해 충격력을 구한다.
사) 패턴 코팅지를 아크릴 판에 꽂아 다)∼바) 과정을 반복한다.
아) 패턴 종이와 패턴 코팅지의 충격력을 비교해 어떤 것이 더 충격력을 잘 흡수하는 지 찾는다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
가.
패턴이 없는 종이를 제작한 아크릴 판에 끼워 넣고 건전지 두 개를 떨어트려 확인했더 니 아크릴 판에 고정한 종이 5장 중 4장이 뚫린 것을 확인할 수 있었다. 또한 측정한 속 도는 25m/s로 일정하였으며, 패턴 1은 건전지를 떨어트렸을 때 종이 두 장이 뚫렸고, 패 턴 2는 건전지를 떨어트렸을 때 종이 네 장이 뚫렸다. 또한 패턴 3은 건전지를 떨어트렸 을 때 건전지가 튕겨나갔다. 패턴 4는 종이 두 장이 뚫렸고, 패턴 5는 종이 한 장이 뚫렸 다.패턴 1 패턴 2 패턴 3 패턴 4 패턴 5 패턴 없음
뚫린 개수
(종이) 3개 4개 2개 4개 3개 2∼3개
뚫린 개수
(코팅지) 1개 4개 2개 3개 2개 0개
□ 시사점
가. 결론
이 연구를 통해서 패턴에 따른 충격력의 흡수량을 알 수 있었는데, [패턴 1]이 가장 적게 뚫린 것으로 보아 우리가 만든 패턴들 중에서는 충격력 흡수를 가장 잘 한다는 사실을 알 게 되었다. 삼각형 모양으로 뚫은 [패턴 2]는 삼각형이 각이 있기 때문에 각이 없는 원 패 턴보다 더 많이 뚫린 것이고, 코팅지에서 패턴이 없는 것이 하나도 안뚫렸지만, 여러 반복 적인 시행을 거듭한 결과 [패턴 1]이 뚫린 (종이, 코팅지)개수가 평균적으로 보았을 때 적 은 것으로 나타났다. 이는 [패턴 1]이 충격을 잘 흡수한다는 것을 의미하며 더욱 단단하고 안정하다고 생각할 수 있다. 물론 [패턴 없음]이 뚫린(종이, 코팅지) 개수가 평균적으로 가 장 적은 것을 볼 수 있지만, [패턴 1]에서 사용한 종이, 코팅지 면적과 사용 재료를 보았을 때에는 [패턴 1]이 [패턴 없음]보다 효율적인 것을 알 수 있다. 또, [패턴 1]에 처음 건전지 를 떨어트렸을 때 [패턴 없음] 코팅지와 마찬가지로 뚫리지 않았기 때문에 효과적이라 할 수 있다. [패턴 1]이 [패턴 없음]보다 재료의 사용이 덜 하고 세기 또한 [패턴 없음]과 다름 이 없다 느껴, 위와 같은 결론을 내리게 된 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용 가. 전망
반복적인 시행을 통해 충격력을 잘 흡수하는 패턴을 찾아 충격력 흡수 기구나 보호기구 등, 실생활에서 충격 흡수가 필요한 기구들에 위와 같은 패턴들을 적용할 수 있을 것이라 고 본다. 예를 들어 코팅지와 재질이 비슷한 핸드폰 필름에 코팅지에서 충격력 흡수가 잘 되었던 [패턴 1]을 적용한다. 그러면 현재 핸드폰 필름보다 더 안전하게 핸드폰 액정을 보 호할 수 있을 것이다. 또, 우리가 만든 패턴들 말고도 세상에는 패턴들이 무수히 많기 때문 에 제품에 알맞은 패턴들을 찾아 잘 적용한다면 현재 쓰고 있는 충격력 흡수 제품들보다 더 효율적인 것들을 만들 수 있을 것이다.
또한 이 보고서에서는 단순히 우리가 만든 패턴들을 적용하여 충격력 흡수를 비교하는 실험으로 그쳤지만 더 나아가 우리가 만든 패턴 중 가장 충격력 흡수가 좋은 패턴이 어떠 한 원리로 충격 흡수 작용이 이루어지는지에 대한 실험으로 이어질 수 있을 것으로 본다.
5. 참고문헌
Biolite shoes의 충격력 흡수 효능 분석
= The Effective Analysis of the Absorbing force of Impacted force Putting on Biolite Shoes
저자명: 서 국웅
고정된 어떤 지점에 대하여 자유롭게 회전할 수 있게 되어 있는 물체에 힘 F가 작용하고 있을 때, 고정된 지 점에서부터 작용선까지의 수직거리 L을 고정된 지점에 대한 모멘트팔(mo-ment arm)이라고 하는데 모멘트 M 은 다음 식으로 구할 수 있다.
M=F·L 이 논문에 적용된 위 식을 참고함
한국무용 뛰기동작의 충격력에 대 본 연구에서는 지면과 같은높이로 설치된 Force
한 연구
= On Imoact Force in Jumping Movement of Korean Dance
저자명: 배 영상 ,강 정순
platform 위에서 도약을 실시하였다. 도약 및 착지시에 전기적 변화로얻어진 데타는 1/ 1000초 간격으로 A/D변 환 한 후 플로피디스크에 수록한 연구방법을 참고 하였 다.
종이성형 내충격 흡수재의 충격특 성에 관한 연구
저자: 이 영신, 김 동진, 최 명환, 김 인우
본 연구의 유한요소해석은 실제 실험조건과 … 동일한 조건의 모델형상으로 모델링하였다. 해석상에 고려된 물성을 찾기 위해 일점지지 경계조건을 만족하는 외팔 보를 구성하였으며, 굽림 용력에 대한 처짐을 측정해서 사용된 종이의 탄성 계수를 측정하는 것을 참고하였다.
