Ⅰ. 서론
1. 연구의 필요성문명이 진보하기 시작함으로써 우리인류는 화석연료를 사용하기 시 작했다. 인류는 지금까지 석유를 사용해 왔고, 현재 석유는 인류문명 에서 절대로 없어서는 안 되는 주요자원이 되었다. 옷부터 플라스틱 심지어 약까지 석유가 사용되지 않는 곳이 없을 정도로 석유는 광범 위한 곳에 쓰이고 있다. 하지만 석유는 화석연료로 환경오염이라는 문제와 함께 고갈이 되어간다는 단점이 있다. 현재 예상하기로 앞으 로 사용할 수 있는 석유의 년도 수는 약50년, 인류는 석유를 대체하 기 위해 태양에너지, 바람에너지, 조력에너지 등 신 재생에너지를 계 발하기 시작했지만 아직 효율이 낮고 활용도가 낮다는 단점 때문에 50년 이내에 바로 대체되기는 어렵다고 생각이 된다. 그래서 사람들 이 계발하기 시작한 분야가 효율을 높이는 분야이다. 현재 지상에서 는 석유에너지 사용의 효율을 높이기 위해 하이브리드와 같은 연비가 높은 엔진을 계발해서 사용하고 있다. 그러므로 우리는 비행기의 에 너지효율을 높여 석유에너지의 가체연수를 늘리기 위해 연구가 필요 하다.
2. 연구의 목적
현재 비행기의 겉모습의 변형을 통해 바람의 저항을 최소화해 더 소 모되는 에너지를 줄여 최적화 되어 있는 듯하지만 사람이나 화물 등 을 운송하기 위해서 일정량의 비효율적인 부분을 감수하기도 했다고 한다. 엔진의 효율을 높여 연비가 좋아졌다고는 하지만 아직도 사용 하는 석유의 양은 월등히 많은 편이다.
현재 에너지 효율을 높이는 방법 중 하나인 외형 변형을 통하여 순 수 비행에 특성화된 목적으로 적은 에너지로 많은 효율을 낼 수 있
제작과 시연을 연구의 최종 목표로 삼는다.
가. 배경지식 1) 양력
흐르는 물체(공기)속을 수평으로 운동하는 물체가 유체로부터 받는, 진행방향에 대해 수직인 위쪽을 향하는 힘이다. 비행기가 비행을 할 수 있는 원리이다. [그림 1]
2) 힘과 마찰력
힘을 물체에 가했을 때 움직이는데 그 움직이는 것에 대하여 마 찰력이 생기게 된다. 힘이 증가하게 되면 그에 따라서 마찰력도 증가하게 되는데 이 실험에서의 관건은 힘은 키우지만 마찰력을 줄이는 것이 관건이다.
3) DSLR
흔히들 전문적인 사진을 찍기 위해서 사용하는 카메라로 일반 디지털카메라에 비하여 높은 사진 해상도와 렌즈교체와 설정을 통한 여러 가지 기능들을 제공한다. 이 실험에서는 빛이 노출되 는 시간을 최대한 늘려 빛이 늘어지게 찍히는 효과를 이용한다.
<그림1> <그림2>
4) 글라이더의 정의
자체에 엔진이나 프로펠러, 제트 같은 추진 장치를 가지고 있지 않고 바람의 에너지나 자신의 중력을 이용하여 날 수 있게 만든
력을 이용하여 비행할 수 있는 것을 뜻한다.
5) 글라이더의 특징
글라이더는 우리가 사용할 수 있는 비행물체 중에서 비행기와 가장 비슷한 비행물체이다. 엔진이 없다는 점을 제외하고는 작동 의 원리나 겉모습 또한 비슷하기 때문에 이번 실험에 사용하기로 하였다.
6) 글라이더의 종류 가) 글라이더
자체의 엔진이나 프로펠러 등 동력원이 없이 바람의 에너지나 중력을 이용하여 날 수 있게 만든 항공기를 뜻한다. 동력원이 없 기 때문에 기류를 타지 않는 이상 비행시간이 고부동력기에 비 하여 상당히 짧다. 하지만 자체에 문제되는 점이 적기 때문에 비 행실험에 고무동력기에 비해 적합하다는 것이 장점이다.[그림 3]
나) 고무동력기
고무줄의 탄성력을 통하여 만들어진 에너지로 프로펠러를 돌려 비행을 하는 비행물체이다. 기본적인 원리는 글라이더와 같지만 추진장치를 가지고 있다는 점에서 글라이더와 큰 차이점을 보인 다. 글라이더와 달리 자체 동력원이 있기 때문에 기류를 타지 않더라도 글라이더 보다 장시간의 비행이 가능하다는 것이 특징 이다.[그림4]
<그림3 : 글라이더> <그림4 : 고무동력기>
Ⅱ. 본론
1. 1차 비행 효율 조사 실험실험은 날개의 길이, 머리부분의 모양, 날개의 모양, 날개의 재질에 따라 나누어 실험한다.
가. 날개길이에 따른 실험 1) 실험이유
비행물체에서 가장 중요하게 생각되는 부분은 물론 엔진이 있기 도 하지만 양력을 받는 날개도 중요하기 때문이다.
2) 가설
날개가 길면 길수록 부피와 면적이 넓어지기 때문에 양력이 크 기 때문에 적은 에너지로 가장 큰 효율을 낼 수 있을 것이다.
3) 준비물
글라이더 발사대, 별자리 지시용 레이저2개, 후레쉬, 글라이더, DSLR, 켐코더, 노트북
4) 실험 환경
암실에서 실험을 한다.
별자리 지시용 레이저에 유리막대를 자른 유리도막을 붙여 빛이 세로로 산란하게 만든 뒤 일정 간격을 띄워 서로 평행하도록 만 들어 놓는다. 실험장소가 전체적으로 들어 오도록 DSLR과 켐코 더를 배치한다.
글라이더 발사대를 설치한 뒤 발사대에 글라이더를 장착한다.
이 때 글라이더의 머리 부분이 레이저 끝부분에서부터 조금 떨어 지게 위치하도록 한다. 발사를 하기 전 DSLR를 설정하여 빛의 노출 시간을 최대한으로 늘린다. 켐코더를 작동시키고 글라이더 를 발사한다. 이때 후레쉬가 글라이더를 계속해서 비추도록 한다.
이렇게 해서 나온 실험 데이터를 컴퓨터를 이용하여 분석한다.
5) 실험방법
가) 글라이더의 날개를 가장 길게 설정한다.
나) 발사대에 글라이더를 고정시킨다.
다) DSLR의 셔터와 켐코더를 작동시킨 뒤 글라이더를 발사한다.
라) 여러 번의 실험 후 날개의 길이를 변화시켜 위와 동일한 방 법으로 실험을 진행한다.
마) 데이터들을 노트북을 이용하여 정확히 분석 비교한다.
6) 실험결과
날개 크기 짧은 날개 중간 날개 긴 날개 활공 각도 13.1° 10.9° 평균값
10.2°
대푯값 10.3°
활공 속도 4.23m/s 3.237m/s 평균값 대푯값 3.098m/s 비행 효율
=운동/위치 83.01% 61.28% 평균값 대푯값 57.338%
활공 거리 4.826m 4.788m 평균값 대푯값 4.777m 수직 높이 2.47m 2.47m 평균값 대푯값 2.47m
수평 길이 4.7m
머리 모양 기울기 2/1 기울기 4/1 기울기 8/1
활공 각도 12.9° 11.2° 평균값
10.9°
활공 속도 4.26m/s 3.87m/s 평균값 3.79m/s 비행 효율
=운동/위치 80.024% 75.25% 평균값 52.7%
활공 거리 4.901m 4.802m 평균값 4.703m
수직 높이 2.47m 2.47m 평균값
2.47m
수평 길이 4.7m
나. 머리부분의 모양차이 1) 실험이유
앞부분은 바람과 가장 먼저 만나는 부분으로써 글라이더가 비행 할 때 바람을 가르면서 날라가서 글라이더 전체의 바람의 흐름을 좌우한다고 생각을 하기 때문이다.
2) 가설설정
바람의 저항을 최소와 하여야 하므로 머리가 뾰족하고 길수록 효율이 좋을 것이다.
3) 실험방법
가) 글라이더의 머리모양 1을 끼운다.
나) 발사대에 글라이더를 고정시킨다.
다) DSLR의 셔터와 켐코더를 작동시킨 뒤 글라이더를 발사한다.
라) 여러 번의 실험 후 머리부분의 모양을 변화시켜 위와 동일한 방법으로 실험을 진행한다.
마) 데이터들을 노트북을 이용하여 정확히 분석 비교한다.
4) 실험결과
다. 날개의 모양의 차이 1) 실험이유
날개는 양력을 받는 비행기의 핵심 부분으로써 전체적인 비행에 관여 되어 있다. 그래서 날개의 모양에 차이에 의해서도 나타날 수도 있을 것이라고 생각되기 때문이다.
2) 가설설정
날개가 꺾인 부분이 가로로 휘어진 것이 가장 효율적이라고 생각 한다. 그 이유는 전체적인 모양이 유선형이기 때문에 바람의 저항 을 최소화되기 때문에 가장 효율적일 것이라고 생각한다.
3) 실험방법
가) 글라이더을 날개모양 1로 설정한다.
나) 발사대에 글라이더를 고정시킨다.
다) DSLR의 셔터와 켐코더를 작동시킨 뒤 글라이더를 발사한다.
라) 여러 번의 실험 후 날개의 모양을 변화시켜 위와 동일한 방법 으로 실험을 진행한다.
바) 데이터들을 노트북을 이용하여 정확히 분석 비교한다.
날개 모양 판자형 삼각형 역삼각형
활공 각도 11.1° 10.3° 평균값
10.4°
활공 속도 3.152m/s 3.21m/s 평균값 3.22m/s 비행 효율
=운동/위치 68.2% 67.32% 평균값 68.47%
활공 거리 4.38m 4.392m 평균값 4.342m
수직 높이 2.47m 2.47m 평균값
2.47
수평 길이 4.7m
4) 실험결과
2. 2차 비행 효율 조사 실험 가. 개량된 점
우리가 처음 제작한 비행 발사대의 힘을 내는 방식인 추를 떨어 뜨리는 방식은 추를 증가시키면 힘이 증가하였으나 추가 늘어나는 만큼 낙하거리가 줄어들어 일정이상의 힘을 내기가 힘들었다. 이 런 점을 계량하여 다시제작한 발사대는 모터를 사용하여 좀 더 정 확한 값을 조절하여 날릴 수 있으며 추로 날릴 때에 비하여 더 큰 힘을 낼 수 있어 좀 더 정확한 데이터 값을 얻을 수 있게 되었다.
또, 빨대로 만든 레인 대신해 쇠로 만든 레일에 수레를 이용하여 날리는 방식으로 바꾸어 마찰력을 크게 줄일 수 있게 되었다. 또 힘이 커짐으로서 발사대가 고장 날 수 있는 확률이 높아졌지만 그 확률을 줄이기 위해 브레이크 장치를 추가하여 목표지점을 통과하 면 브레이크를 걸어 세게 부딪치는 것을 방지했다.
브레이크 장치와 속도 조절장치 쇠로 만든 레일과 수레
발사 장치
나. 날개길이에 따른 실험 1) 실험이유
비행물체에서 가장 중요하게 생각되는 부분은 물론 엔진이 있기 도 하지만 양력을 받는 날개도 중요하기 때문이다.
2) 가설
날개가 길면 길수록 부피와 면적이 넓어지기 때문에 양력이 크 기 때문에 적은 에너지로 가장 큰 효율을 낼 수 있을 것이다.
3) 준비물
글라이더 발사대, 별자리 지시용 레이저2개, 후레쉬, 글라이더, DSLR, 켐코더, 노트북
4) 실험 환경
암실에서 실험을 한다.
별자리 지시용 레이저에 유리막대를 자른 유리도막을 붙여 빛이 세로로 산란하게 만든 뒤 일정 간격을 띄워 서로 평행하도록 만 들어 놓는다. 실험장소가 전체적으로 들어 오도록 DSLR과 켐코 더를 배치한다.
글라이더 발사대를 설치한 뒤 발사대에 글라이더를 장착한다.
이 때 글라이더의 머리 부분이 레이저 끝부분에서부터 조금 떨어 지게 위치하도록 한다. 발사를 하기 전 DSLR를 설정하여 빛의 노출 시간을 최대한으로 늘린다. 켐코더를 작동시키고 글라이더 를 발사한다. 이때 후레쉬가 글라이더를 계속해서 비추도록 한다.
이렇게 해서 나온 실험 데이터를 컴퓨터를 이용하여 분석한다.
5) 실험방법
가) 글라이더의 날개를 가장 길게 설정한다.
나) 발사대에 글라이더를 고정시킨다.
다) DSLR의 셔터와 켐코더를 작동시킨 뒤 글라이더를 발사한다.
라) 여러 번의 실험 후 날개의 길이를 변화시켜 위와 동일한 방법
날개 크기 짧은 날개 중간 날개 긴 날개 활공 각도 12.8° 10.4° 9.6°
활공 속도 3.945m/s 3.214m/s 3.014m/s 비행 효율
=운동/위치 81.42% 60.18% 55.324%
활공 거리 4.912m 4.844m 4.801m 수직 높이 2.47m 2.47m 2.47m
수평 길이 4.7m
으로 실험을 진행한다.
마) 데이터들을 노트북을 이용하여 정확히 분석 비교한다.
6) 실험결과
긴날개 비행물체
다. 머리부분의 모양차이 1) 실험이유
앞부분은 바람과 가장 먼저 만나는 부분으로써 글라이더가 비행 할 때 바람을 가르면서 날라가서 글라이더 전체의 바람의 흐름을 좌우한다고 생각을 하기 때문이다.
2) 가설설정
바람의 저항을 최소와 하여야 하므로 머리가 뾰족하고 길수록 효율이 좋을 것이다.
머리 모양 기울기 2/1 기울기 4/1 기울기 8/1 활공 각도 12.1° 10.8° 9.7°
활공 속도 4.145m/s 3.64m/s 3.24m/s 비행 효율
=운동/위치 79.964% 74.8% 51.6%
활공 거리 4.94m 4.89m 4.813m 수직 높이 2.47m 2.47m 2.47m
수평 길이 4.7m
3) 실험방법
가) 글라이더의 머리모양 1을 끼운다.
나) 발사대에 글라이더를 고정시킨다.
다) DSLR의 셔터와 켐코더를 작동시킨 뒤 글라이더를 발사한다.
라) 여러 번의 실험 후 머리부분의 모양을 변화시켜 위와 동일한 방법으로 실험을 진행한다.
마) 데이터들을 노트북을 이용하여 정확히 분석 비교한다.
4) 실험결과
기울기8/1인 비행물체
라. 날개의 모양의 차이 1) 실험이유
날개는 양력을 받는 비행기의 핵심 부분으로써 전체적인 비행에 관여 되어 있다. 그래서 날개의 모양에 차이에 의해서도 나타날
날개 모양 판자형 삼각형 역삼각형 활공 각도 10.2° 10.6° 10.5°
활공 속도 3.005m/s 3.204m/s 3.19m/s 비행 효율
=운동/위치 67.6% 67.8% 68.02%
활공 거리 4.25m 4.297m 4.367m 수직 높이 2.47m 2.47m 2.47m
수평 길이 4.7m
2) 가설설정
날개가 꺾인 부분이 가로로 휘어진 것이 가장 효율적이라고 생 각한다. 그 이유는 전체적인 모양이 유선형이기 때문에 바람의 저항을 최소화되기 때문에 가장 효율적일 것이라고 생각한다.
3) 실험방법
가) 글라이더을 날개모양 1로 설정한다.
나) 발사대에 글라이더를 고정시킨다.
다) DSLR의 셔터와 켐코더를 작동시킨 뒤 글라이더를 발사한다.
라) 여러 번의 실험 후 날개의 모양을 변화시켜 위와 동일한 방법 으로 실험을 진행한다.
마) 데이터들을 노트북을 이용하여 정확히 분석 비교한다.
4) 실험결과
판자형 비행물체
Ⅲ. 결론
1. 날개 길이여기서 주목해서 보아야 할 점은 활공각도와 활공 속도이다. 활공각 도는 떨어질 때의 지면과 이루는 각도 인데 이 각도가 작으면 작을수 록 지면과 평행하게 떨어진다는 것이므로 더욱 안정적으로 비행을 했 다는 것을 알 수 있다.
활공속도를 측정하기 위해서는 활공 거리를 보아야 하는데 활공거리 는 최대 0.49m밖에 차이가 안날정도로 매우 작은 수치이다. 하지만 활공속도가 이렇게나 차이가 난다는 것은 활공하는 시간이 다르다는 것인데, 짧은 날개의 활공속도는 매우 빠르다. 그래서 사람들이 흔히 같은 힘을 주었을 때 좀 더 빠른 것이 좀더 효율적이라고 착각을 하 게 되는데, 같은 힘을 주었고 활공거리가 비슷한데 값이 크다는 것은 오랫동안 날지 못했다는 이야기가 된다. 즉 활공 속도가 크면 클수록 효율이 떨어진다는 이야기 이고 결과적으로는 긴날개가 가장 효율이 크다는 결과가 나오게 된다.
2. 머리 모양
위와 마찬가지로 여기서도 각도와 속도를 보아야 한다. 기울기가 크 면 클수록 바람의 저항을 더욱 크게 받게 되고 에너지의 손실이 커지 게 된다. 즉 에너지의 변화가 비행할 때 가장 심하게 일어난다는 이 야기가 되고 결국에는 에너지가 빠르게 없어지므로 떨어질 때 빨리 떨어지게 되어 각도가 커지게 되고 날린 시간이 짧아지게 되므로 속 도는 증가할 수 밖에 없어진다. 즉 기울기가 작으면 작을수록 비행효 율이 좋다는 이야기가 된다. 여기서 주의할 점은 활공 거리가 아까에 비해서 차이가 크다. 즉 오차가 날 수도 있다.
3. 날개 모양
날개모양은 각도부터 활공 속도 비행효율 등 많은 부분의 차이가 없 을 정도로 데이터 값이 유사하게 나왔는데 아마도 판자형이 가장 효 율이 좋지 않을 것이라고 생각을 했지만 넓이가 넓어서 양력을 크게 받아 다른 것들에 비해 별로 차이가 나지 않는 것 같다. 굳이 뽑으라 고 하면 판자형이 가장 효율적이라는 결론이 나오게 된다. 나중에 다 시 하게 된다면 날개의 넓이는 같게 하되 모양을 바꿔야 겠다.
제목 저자 출판사 출판연도 과학쟁이 조류도감 과학쟁이 씽크하우스 2008 비행기의 과학을 밝혀라 유윤한 베틀북 2008
Ⅳ. 홍보 및 사후 활용
1. 기대효과
가. 실험 결과 등 직접경험을 통하여 비행에 관하여 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
나. 실제 비행기 등을 제작할 때 참고 하여 고효율의 비행물체를 제 작하는데 도움을 줄 것이다.
다. 실험과 결과 분석을 통하여 개인적 역량이 성장할 수 있는 계기 가 됨.
2. 사후 활용 계획
가. 효율적인 비행물체 제작의 자료
나. 수업에 활용할 수 있는 교구 개발 자료 다. 향후 논문 작성
라. 저널 투고
마. 머리 모양 및 날개길이, 날개 모양의 실험결과를 토대로 다른 경 계조건탐색 및 좀 더 효율적인 비행조건 방안 설계
