1. 개요
□ 연구 목적 ○ 연구 동기
연구과제 선정 과정에서 읽어 본 선배님들의 날개짓 비행체 연구 기록과 조류의 활공영상을 보며 낙하체라는 주제를 잡았고, 조류의 활공 방식 같은 자연물들의 낙하 방식을 낙하체에 적용하면 현재 활용되고 있는 낙하 체보다 체공 시간, 방향전환 등 다양한 방면에서 이점을 가질 수 있을 것이라 생각하여 연구를 진행하게 되었다.
○ 필요성 및 목적
현재 널리 쓰이는 낙하체에는 낙하산, 글라이더, 행글라이더 등이 있다.
이들은 꽤 긴 시간동안 사용되어 오며 어느 정도의 안전성을 확보하고 있지만 방향전환이나, 화물 운송 등의 분야에서는 아쉬운 점이 있었다.
낙하하는 자연물들을 관찰해보면, 원하는 지점에 빠르고 정확하게 도달하 는 조류나 빠른 고속회전과 방향전환을 보여주는 단풍나무, 나무와 나무사 이의 먼 거리를 활공하는 날다람쥐 등을 관찰 할 수 있다.
이 같은 자연물의 이점들과 현재 쓰이는 낙하체들을 더해 현재 쓰이는 낙하체들보다 기능, 안전성면에서 더욱 향상된 낙하체에 대해 연구해보고 자 한다.
○ 지역 특성 및 학교
과학중점 고등학교로 연구 활동에 대한 많은 지원을 받을 수 있으며, 학교 근처에 문헌정보를 탐색할 수 있는 시설이 많고, 과학관련 분야로 진출한 동문들도 많아 정보를 얻는 데에 유리한 점이 있다, 자연적으로도 저수지, 산, 하천 등 다양한 생태계가 조성되어 있어 다양한 자연물들을 관찰할 수 있다.
○ 연구 목적
자연물들을 관찰, 탐구하고 그 특성들을 낙하체에 접목시켜 봄으로써 여러 방면으로 활용도가 높고 효율적인 낙하체의 조건에 대해 연구한다.
□ 연구범위 ○ 연구 분야
공학, 예술, 과학 ○ 연구 범위
과학-물리(베르누이의 정리) ○ 진행 단계
여러 가지 원리 파악, 모형 설계 2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 활공
엔진에 의한 추진력 없이 무동력상태로 강하하는 비행이다.
낙하하는 여러 동물들(날다람쥐, 날도마뱀, 가죽날개원숭이 등)과 무동력 글라이더, 조류 등이 활공을 한다.
(활공을 하는 날다람쥐와 독수리)
○ 베르누이의 정리
스위스의 수학자인 베르누이 라는 사람의 이름에서 따왔다고 한다.
비행기가 위로 뜨기 위해선 양력이 필요하다. 비행기의 날개 단면을 잘라서 보면, 비행기 날개의 윗면의 길이는 아랫면보다 길다.
그래서 비행기 윗면에 흐르는 공기의 속도는 아랫면에 흐르는 공기의 속도보다 빨라져서, 아랫면보다 압력이 작아지게 된다. 여기서 양력은 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 생기는 힘이다. 그래서 비행기는 스 스로 뜰 수 있게 된다. 낙하체도 베르누이의 정리에 따라 곧바로 떨 어지지 않고 활공한다.
< 날개 주위의 압력 분포 >
□ 연구주제의 선정
○ 연구 주제 선정 과정에서 학교 근처의 고층 아파트에 사는 팀원이
‘만약 집 창문에서 글라이더 같은걸 타고 학교로 바로 내려 올 수 있으면 좋을 것 같다’라는 농담을 꺼낸 적이 있었다. 그 후 우리는 선배들의 날갯짓 비행체 연구 기록을 보게 되었고, 비행체의 반대 개념으로 낙하체에 대해 연구해 보면 어떨까 하고 생각했다. 그 후 자연에 관심이 많은 팀원이 새의 활공 이야기를 꺼냈고 자연스레 ‘자연물을 모방한 낙하체’라는 주제로 이어지게 되었다.
□ 연구 방법
○ 독특한 낙하 방식이나 활용 가능한 낙하 방식을 가진 자연물들 (날다 람쥐, 가죽 날개 원숭이, 날치, 단풍나무 열매, 박쥐, 조류 등)몇 가지를 정해 각자 역할을 분담하여 자신이 맡은 자연물에 대해 조사, 관찰한다.
○ 각자 조사, 관찰한 내용을 바탕으로 모방할 자연물들을 고르고, 모형 을 제작한다.
○ 모형의 부분별 형태, 재료, 재질 등을 바꿔가며 실험을 진행해 낙하에 가장 알맞은 특성을 찾는다.
○ 낙하체에 직접 방향전환 장치를 설치 해 봄으로써 우리 낙하체에 가장 알맞은 방향전환 방식을 찾는다.
○ 최종적으로 여러 자연물들의 이점을 더한 낙하체를 완성한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 가설 설정
우리 연구의 가설은 모방한 낙하체의 날개나 비막이 클수록 낙하체가 유선 형에 가까워 공기저항을 적게 받을수록 더욱 멀리 날아갈 수 있을 것이라고 예상하였다.
그리고 낙하체에 방향타나 날개를 꺾는 점을 적용할 시에,
·방향타를 꺾는 방향에 따라 낙하체가 그 방향으로 가고,
·날개는 꺾은 쪽의 반대쪽으로 휘게 될 것이다.
라고 예상을 하였다.
○ 실험 설계 (1) 낙하 조건 ① 비막의 재료
우리 주위에서 비막을 대체 할 수 있을 만한 랩, 라텍스, 방수천, 비닐 등의 재료들의 밀도, 탄성, 신축성들을 조사해 우리 연구에 알맞은 비막 대체품을 찾는다.
② 비막의 크기
같은 양의 재료(대나무 막대 4개, 발사나무 한개, 글루건, 비막재료, 무게중심 재료)를 가지고 같은 직사각형으로 비막의 크기만 다르게 한 낙하체 모형들을 제작해 같은 실험 조건(높이, 온도, 습도 등)에서 각각을 던지고, 체공시간과 거리를 관찰한다.
③ 비막의 형태
같은 양의 재료(대나무 막대 4개, 발사나무 한개, 글루건, 비막재료, 무게중심 재료)를 가지고 비막을 삼각형, 역삼각형, 사다리꼴, 직사각 형 등 다양한 형태로 제작해 같은 실험조건(높이, 온도, 습도 등)에서 각각을 던지고, 체공시간과 거리를 관찰한다.
④ 몸통, 비막의 비율
무게가 같고 폭만 다른 세가지 몸통을 준비해, 각각에 같은 직사각형 형태의 비막을 설치하고, 같은 실험조건(높이, 온도, 습도 등)에서 각각 을 던지고 체공시간과 거리를 관찰한다.
(2) 방향전환
① 방향타를 이용한 방식(단풍나무 열매)
단풍나무 열매의 날개 부분에서 아이디어를 얻었다.
실험 (1)을 통해 나온 최적의 조건을 갖춘 낙하체 모형을 만들고, 그 뒤에 수평방향타를 단 것, 수직 방향타를 단 것 이렇게 두 가지 모형을 제작해 같은 실험조건에서(높이, 온도, 습도 등)방향타의 방향만 조정 해 던지고, 궤적을 관찰한다.
② 비막 지지대의 각도(날다람쥐, 가죽 날개 원숭이)
날다람쥐나 가죽 날개 원숭이의 낙하 영상에서 그들이 그들의 비막을 지지하고 있는 다리를 움직여 방향을 전환하는 것에서 아이디어를 얻었다. 실험 (1)을 통해 나온 최적의 조건을 갖춘 낙하체 모형을 여러 개 만들고, 오른쪽, 왼쪽 앞다리를 아래로 꺾은 모형, 뒷다리를 꺾은
모형, 한쪽의 앞다리와 다른 한 쪽의 뒷 다리를 꺾은 모형, 한쪽 다리를 모두 꺾은 모형 등 상황별 모형들을 제작해 같은 실험 조건(높이, 온도, 습도)에서 각각을 던져 궤적을 관찰한다.
○ 실험 과정
연구 초기에는 구체적인 실험 목적을 정하지 못한 탓에 팀원들 간의 혼선 이나 갈등이 있기도 했다. 우리가 연구를 많이 진행하지 못한 만큼 중간 발표회에서 평가위원님들의 따끔한 충고를 듣고 팀원들 전체가 실의에 빠지기도 했었다. (1)-① 실험을 바탕으로 라텍스가 가장 좋은 재료라는 것을 알게 되어 우리 지역에서 없는 원단이 없다는 서문시장에 가봤으나 구할 수가 없었고, 업체에 직접 문의 했을 때에도 원단 형태의 라텍스는 찾기 힘들다는 이야기를 들어서 이후 모형실험에서는 랩을 사용하기로 했다. 이후 랩의 약하다는 단점을 보완하기 위해 비막 대체재를 방수천 으로 다시 바꿔 실험을 진행했다. 2m높이에서 8가지 모형을 떨어뜨렸는데 무게 중심의 문제인지 그냥 땅으로 떨어지는 모형들이 많았다. 그래서 임시방편으로 교탁에 있던 무거워 보이는 자석 테이프를 같은 크기씩 잘라 모형의 앞에 붙였는데 테이프를 조금 떼고 붙이는 조정이 끝나자 그제야 모형들이 앞으로 나아가기 시작했다. 또 이것을 바탕으로 우리는 실험을 설계하였는데 날개나 비막의 크기를 다르게 한 여러 가지 낙하체를 만들었 고 그 결과를 비교하는 것으로 했다.
또 낙하체의 방향관련실험은 방향타를 적용한 것을 직접 꺾어서 하거나 날개를 꺾어서 하기로 하였다. 실험은 날개의 크기비교는 날개와 몸체의 크기 비율을 측정하여 동일한 형태를 다양한 비율로 만들어 날려 보는 것과 몸체와 날개의 이상적인 비율에서그것의 몸체를 서로 다르게 하여서 유선형에 가까운 쪽과 유선형에 먼 쪽을 서로 비교하여 날려보았다.
낙하체의 방향전환관련은 낙하체에 방향타를 적용해서 방향타의 꺾은 방향이나 꺾은 정도를 다르게 하여 날려보아 비교를 하였고 날개의 꺾은 방향과 정도를 다르게 하여 날려보아 비교를 하였다. 이 과정에서 우리는 크기가 똑같은 낙하체를 만들기 위해 정확한 제도와 정확 조립의 과정에서 오차가 보여서 다시 하는 경우를 겪었지만 제도의 방법을 바꾸는 등 노력을
해서 더욱 정확하게 제도를 할 수 있게 되었다.
○ 월별 연구 실적
5월 여러 가지 자연물들을 조사했다.
6월 비막을 중점 과제로 잡고, 여러 조사를 진행했다.
7월 낙하 조건에 대해 실험을 진행했고, 체공시간이 긴 모형과 진행 거리 가 긴 모형에 확연한 차이가 있다는 것을 알게 되었다.
8월 여러 모형들을 제작하고, 실험을 진행했다.
9월 방향전환에 대한 연구를 시작, 여러 모형들을 제작했다.
10월 제작한 모형 바탕으로 실험 진행
11월 날다람쥐, 가죽 날개 원숭이의 방향전환방식 구체화, 실험 ○ 연구비 사용 내역
예산계정 집행액
연구장비및재료비 802,960 연구활동비 632,400 연구과제추진비 1,595,460
연구수당 2,100,000 총 계 5,130,820
지원 금액 집행액 집행잔액
5,500,000원원 5,130,820원 369,180원
3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과
○ 연구 과정 요약
낙하체의 두 가지 조건에 대해 연구하였다.
㉠ 낙하 조건 - 비막의 재료, 크기, 형태, 몸통과 비막의 비율 ㉡ 방향 전환 – 방향타, 날개의 각도
○ 연구 결과
생체모방을 이용한 낙하체에 대한 연구를 하기위해서 우리팀은 낙하체에 적합한 형태 찾기와 방향전환에 대한 연구를 중점적으로 하였다. 우선 여기서 형태란 안정적인 이동성을 가지고 있는 날개의 형태, 몸의 형태 등을 아울러 이르는 말이다. 안정성을 가지며 이동성을 가진 낙하체에 대한 연구를 한 후 방향전환에 대한 연구는 개별적으로 하였다.
(1) 낙하체에 적합한 형태 찾기
① 낙하체 날개형태에 관한 실험
첫 번째 형태에 대한연구인 날개의 형태에 대한연구는 다양한 종이모 형, 글라이더 모형등의 완제품인 비행체 및 낙하체를 날개의 크기와 형태를 변형하면서 진행을 하였다. 이러한 날개의 형태에 대한 연구로 비막이 안정성과 이동성을 동시에 지닌 날개로 결정되었다.
② 몸체의 형태에 대한 연구
두 번째 형태에 관한실험은 몸의 형태에 대한 연구이다
몸의 형태에 관한 연구는 몸체를 실에 매달아서 바람에 따라서 몸의 움직임이 달라지는 것을 보고 바람의 저항이 적은형태의 몸체의 형태 는 유선형 몸체라는 결론을 얻을 수 있었다.
③ 비막의 조건에 관한연구
이동성과 안정성을 동시에 지닌 낙하체는 비막이 최적의 날개로 앞의 실험에서 연구결과가 나왔다. 그래서 우리팀원들은 비막을 가진 생물들을 조사해보고 안정적이고 이동성을 지닌 낙하를 하기 위해서 인터넷 조사( 동영상시청, 관련문헌 구독 등..)을 하였다. 비막을 가지 는 생물들은 지질시대의 익룡부터 오늘날의 날다람쥐, 날도마뱀, 날뱀, 박쥐까지 다양하였다 그중에서 우리 주제는 낙하체에 관한 연구이므 로 비행에 사용되는 동력을 주지 않고 낙하는 방식으로 이동하는 생물 들은 찾아본 결과 가장 안정적으로 낙하하는 형태를 보이는 가죽날개 원숭이(박쥐원숭이), 날다람쥐(한국의 하늘다람쥐~ 애완용 날다람쥐 슈가글라이더)를 중심으로 비막의 특성을 조사하였다 BBC, Youtube 등에서 낙하능력으로 비행을 가진 생물들을 관찰한 결과 비막으로 안정성과 이동성을 가지기 위해서는 아래의 2가지 조건이 성립되어야 했다.
㉠ 얇은 막(피부)로 이루어져있어서 형태가 잘 변하고 탄력이 있다.
→ 비행기 같이 일정한 형태에서 변화가 없는 날개는 풍향에 따 라서 형태를 바꾸지 못하고 저항을 많이 받는 방면에 비막은 저 항을 줄일 수 있고, 비행기에서 베르누이의 법칙이 이뤄지는 것 처럼 비막또한 상승기류 때문에 날개가 솟아서 비행기처럼 베르 누이의 법칙을 적용할 수 있으며 날개보다 가볍다.
㉡ 비막은 굳은살이 존재하고 굳은살은 큰 역할을 한다.
→ 비막에도 굳은살이 존재한다. 비막의 끝면의 굳은살은 뼈의 개념과 유사한데 예전 고대 비막위에 깃털이 달린 형태인 시조 새는 비막의 형태를 날기 적합하게 만들기 위해 필요할 때마다 길고 얇은 마디의 뼈로 형태를 만들었다. 이처럼 현대 비막을 사 용하는 설치류, 포유류들도 뼈의 형태는 보이지 않지만 굳은살이 라는 살이 특정부위에 존재를 한다. 굳은살은 앞다리와 뒷다리사 이의 날개 끝면에 분포하며 날개의 끝면과 멀어질수록 약할살의 분포가 늘어나는 것을 관찰할 수 있다. 그리고 각각 앞다리, 뒷
다리쪽과 머리와 꼬리 사이의 비막은 가죽날개원숭이의 날개에 부딪힌 바람이 빠져 나오기 쉽도록 비막을 약간 펄럭거리는 것 을 발견할 수 있었다.
(2) 방향전환에 관한 연구
낙하체가 그냥 일직선상으로만 이동가능하다는 편견은 종종 보인다 하지만 비막을 가진 생물들이나 최근 상용화된 글라이더 등에서 보면 방향전환을 하는 모습을 볼 수가 있다. 방향전환이 가능한 낙하체는 물건의 수송, 완구용, 이동용, 레저용으로 일반 방향전환이 불가능한 낙하체보다 정확하게 목적지에 도착할 수 있을 것이며 가치 또한 더욱 높아질 것이다. 이에 우리팀원들은 낙하체의 방향전환에 적합한 방향전환 수단에 관하여 조사하고 연구 활동을 시작하였다.
① 방향타를 이용한 방향전환
방향타란, 비행기의 수직꼬리날개 후반부에 있는 가동부분이다.
비행기는 이 방향타를 이용해 좌우 방향을 바꿀 수 있다. 날다람 쥐도 꼬리위치를 이용해 이와 비슷한 원리로 낙하하는 모습을 보 였다.
우리는 이 실험을 위해 두 가지 방법을 사용할 것이다.
첫 번째는 날갯짓 비행을 하는 RC비행기이고 두 번째는 자연물 모방을 한 모형이다.
< RC 비행기 –나로빗>
증명: 날갯짓 비행을 하는 RC비행기를 이용한 방향전환 실험에 사용한 날갯짓 비행을 하는 RC비행기 나로빗은, 나비처럼 날개가 퍼덕이며 비행을 하는 비행체다. 전원을 켜고 엔진 출력을 높이 면 비행체는 정면으로 날아가는데, 이때 서브모터를 이용하여 나 로빗의 꼬리 부분에 위치한 방향타를 돌렸더니, 그 방향으로 나 로빗이 날아가는 것을 관찰할 수 있었다. 실제로 방향타는 비행 기나 잠수함, 선박에서도 방향전환을 위해 사용한다. 낙하체에도 이 방식이 적용되면 상당히 유리할 것으로 보인다. 그러나 단점 은 모터를 이용해야 한다는 것과, 무선 조종 시 전파가 미약하면 제대로 말을 듣지 않는다. 실제로 나로빗을 실험할 때도 무선조 종이 듣질 않아 고생한 적이 있다.
② 날개의 무게 차이를 이용한 방향 전환
날개의 무게 차이가 발생할 시, 비행하는 물체는 더 무거운 날개 쪽으로 방향이 쏠린다. 이 사실을 이용하여, 우리가 만든 비행체 에 추 따위에 무게에 영향을 주는 물체를 달아 실험해 보기로 했 다.
증명: 무게에 따른 방향전환을 관찰하기 위해 글라이더4대를 만 들어 각각 오른쪽/왼쪽날개 그리고 머리/꼬리 부분에 글루건을 많 이 발라서 무게차이를 나게 한후 비행시켜보았다 그러자 날개에 글루건을 접착시킨 글라이더는 무거운 날개를 중심으로 회전하였 고 머리에 접착시킨 글라이더는 앞쪽에 많은 충격이 가해져 파손 율이 높았으며 꼬리에 접착을 시킨 글라이더는 일반적인 글라이 더의 낙하에서 꼬리부분부터 안정적으로 내려오는 모습을 관찰할 수 있었다. 방향전환 관찰은 성공적 이였으나 무게를 옮기는 방 식을 사용하는데 제작에 무리가 있었고 만약 무게를 옮겼다고 해 도 목적지는 항상 한정되어있는 모습을 보여 낙하체에서는 무리 한 방향전환방법으로 확인이 가능했다.
③ 날개를 휜 각도를 이용한 방향전환
날개가 한 쪽으로 휘었을 때, 비행하는 물체는 등속직선운동에 실패한다. 이로 인해서 기울어진 날개에 더 많은 상승기류가 작 용되어서 비행/낙하체가 회전한다. 날다람쥐, 가죽날개원숭이의 경우에는 앞다리 뒷다리의 각도를 다르게 하여 날개를 비틀어 방 향 전환하는 방식을 보였다.
< 날개 각도에 따른 방향전환 실험>
증명: 위 무게위치를 이용한 방향전환증명실험에서도 우리는 날 개가 휘었을 때 어떤 방식으로 회전하는지 관찰 가능하였으나 조 금 더 확실히 무게를 주지 않고 날개의 각도만 변하게 하였을 때 방향회전을 모습을 관찰하기 위해 우리팀원들은 또 글라이더의 날개를 이어붙이는 축의 각도를 변형하여 날개 각도를 다르게 한 후 비행시켜보았다 관찰되는 모습은 무게위치를 이용한 방향회전 법과 유사하였으나 조금 더 안정적으로 낙하하였으며 날개의 각 도를 변형할 수 있는 동력만 주어진다면 낙하체에게도 안정성, 이동성을 가지는 좋은 장치가 될 수 있을 것이다.
위의 여러 가지 낙하체의 형태, 방향전환에 대한 연구를 통해 우리팀원 은 이동성과 안정성, 2개의 조건을 가진 최적의 낙하체가 되기 위해서는 유선형의 몸체를 가지고 탄력 있고 굳은살이 존재하는 비막을 가진 낙하체가 최적의 낙하체로 선정되어 있다. 또한 날다람쥐와 가죽날개원 숭이의 방향전환을 모방하여 양 날개를 비틀 수 있는 장치와 꼬리에
방향타를 장착시키는 것도 낙하체의 낙하궤적에 변화를 줄 수 있었다.
○ 연구 결론
이미 사용되고 있는 낙하체들이 오랜 시간에 걸쳐 보완되고, 사용되던 것들 이다 보니 자연물들의 특성을 더하더라도 그들의 체공거리, 속도, 안정성 등 가장 중요하게 여겨지는 요소들에서 얻을 수 있는 이점은 적었 다. 하지만 방향전환 부분에서는 우리가 조사하고 연구했던 날다람쥐, 가 죽 날개 원숭이, 단풍나무 열매 등은 조금 더 보완 할 시 실제 낙하체에 활용 될 수 있다는 가능성을 볼 수 있었다.
마지막으로 우리는 우리가 연구한 내용을 바탕으로 최종 결과물인 낙하체 를 설계하고 제작해 보았다.
□ 시사점
○ 이 연구 활동을 통해, 평소에 잘 모르던 동물들에 대해 잘 알게 되었고, 생채 모방 기술과 생물들의 생활현상에 대해 전문적인 지식은 아니더라도 다른 사람들이 이해할 수 있게 설명할 수 있을 정도가 되었다.
○ 처음에는 서먹서먹했으나 점차 연구를 진행하면서 처음 만난 팀원들 끼리 친해지면서 연구 활동에 진전을 보였고 다른 팀에 비해 늦은 감이 있지만 그래도 팀원 간의 협력으로 뒤늦게 연구 속도를 늘려 열심히 진행했 다. 그 덕분인지 11월 21일에 개최되었던 페스티벌에서 포토제닉상을 받은 것 같다.
○ 서로 모르는 채 연구를 시작했더라도 연구 속도는 뒤쳐졌다고 말하기 에는 팀원들이 서로의 일을 제대로 수행하지 않은 데에 있다. 다음부터는 연구 진행활동에 대해 열심히 할 필요가 있다고 본다.
○ 낙하체의 재료를 구하는 경우에는 시장 입지의 한계성을 느꼈다.
라텍스 같은 재료는 흔치도 않고 막상 구하려 해도 구하기도 힘들었었고,
다른 재료를 구하는 과정에서 여러 가지 어려움을 많이 겪었다. 그래서 다음부터는 미리미리 준비하는 태도가 필요하다.
4. 홍보 및 사후 활용 □ 제품으로 개발
○ 교육용을 위한 아이들의 장난감으로 개발할 수 있다. 종이비행기나 모형항공기 말고 새로운 분야의 생체모방 장난감을 아이들이 체험하면서 새로운 정보를 얻는 것이 가능하다고 본다.
○ 우리나라의 토산물인 하늘다람쥐와 연계하여 생태 관광 및 체험학습 의 용도로 발전이 가능하다. ex) 하늘다람쥐 체험학습
□ 구호물자 전달용으로 개발
○ 우리 팀이 현재 연구한 부분으로는 다소 무리가 있다만 나중에 대학교 를 가거나 우리 말고도 다른 곳에서 연구가 꾸준하게 이루어진다면 값싼 재료에 뛰어난 능력을 더해 전쟁지역이나 재난지역에 정확하게 보낼 수 있는 전달용 낙하체를 만들 수 있을 것이다.
5. 참고문헌
Gliding Mammals of the World(공)저: Stephen Matthew Jackson (구글 공개본)
Map of Life - "Gliding mammals"
