KR200449804Y1 - 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 물리의 원리를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위하여 "탁구공을 농구골대의 링에 넣는 단순한 과제"를 여러가지 골드버그 장치를 이용하게 가장 복잡하게 과제를 해결한 것으로 과정을 설명하면, 도미노 사각판에 의해 제1시소를 움직이게 하고, 움직인 제1시소에 의해 회전기구를 회전하게 하여 회전기구 안에 있는 제1구슬이 쏟아지게 하여, 제1구슬이 제1레일을 타고 움직인 후, 빗면장치를 올라간 후 제2레일을 타고 내려와, 진자기구의 진자를 때려 움직인 진자가 제2구슬를 타격하여 제2구슬이 움직이게 하고, 제2구슬은 제3레일을 타고 움직여서 제2시소에 떨어져 제2시소의 일측이 망치의 자루를 타격하여 망치가 회전하게 하고, 회전된 망치가 물병을 타격하여 물병이 회전하면서 물이 제1수조에 쏟아져 파스칼원리에 의해 제2수조의 수위가 올라가며 제2수조 위에 올려져 있는 제3구슬이 떨어져 제4레일로 굴러가고, 제4레일에서 떨어진 제3구슬이 도르레기구의 제1바구니에 떨어져 하중을 주면 제1바구니는 내려가고 제2바구니는 올라가며, 올라간 제2바구니는 회전레일기구의 인입구에 의해 제2바구니의 개패문이 열리고, 제2바구니 내에 있는 제4구슬이 회전레일기구의 인입구로 들어가 오르락 내리락 하면서 하부로 떨어지며, 떨어진 제4구슬이 제3시소의 일측을 타격하여 타측에 있는 탁구공이 포물선을 그리면서 튀어 오르게 하고, 튀어 오른 탁구공이 농구골대의 링 안으로 들어가게 하는 장치이다.
본 고안의 각종 물리원리를 학습할 수 있게 하는 골드버그장치는 위치에너지를 운동에너지로 바꾸거나 지렛대의 원리와 균형으로 중력 가속도와 진자의 원리와 파스칼의 원리 등의 물리 원리를 눈으로 보게 하여 물리원리 이해를 도우며, 과학적 창의성을 키우는 효과가 있다.

Description

각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치{Goldberg Apparatus for Studing Physical Principles}

본 고안은 가장 단순한 과제를 해결하기 위해서 만든 가장 복잡한 기구로 구성된 골드버그장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위치에너지를 운동에너지로 바꾸거나 지렛대의 원리와 균형과 중력 가속도와 진자의 원리와 파스칼의 원리 등의 물리 원리를 눈으로 보게 하여 과학적 창의성에 대한 역발상의 묘미를 가지며 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치에 관한 것이다.

골드버그 장치란 가장 단순한 과제를 해결하기 위해서 만든 가장 복잡한 기계를 말한다.

골드버그 장치는 미국의 루브 골드버그의 이름에서 비롯 되었으며 루브 골드버그(Rube Goldberg)의 원래 이름은 루이븐 루시어스 골드버그(Rueben Lucius Goldberg)이고 1883년 샌프란시스코에서 태어났으며 어려서부터 그림 그리는 것을 좋아하였지만, 골드버그의 아버지는 현실적인 것을 중요하게 여기시는 분이어서 기술자가 되어야 한다며, 골드버그를 공대에 보냈다고 한다.

그러나 골드버그는 대학에 들어가서도 그림 그리는걸 그만 두지는 않았으며 골드버그는 "일을 하는 데는 두 가지 방법이 있다. 하나는 쉬운 방법 또 하나는 어려운 방법이다. 그런데, 대부분의 사람들은 놀랍게도 어려운 방법을 택한다."고 말했다. 공학을 공부한 그는 만화에서 아주 복잡하고 교묘한 도구나 기계 장치들을 동원하여 섬세하게 그릴 수 있었으나 그는 첨단 기술과 기계에 회의적이었다.

대부분의 기계가 어려운 일을 간단히 처리할 수 있게 하기 위해 만들어졌지만, 더 근본적으로 들여다 보면 인간들이 단순소박하게 살 수 있음에도 불구하고, 온갖 기계를 만들어 내어 오히려 복잡하게 살려고 한다고 말하고 싶었던 것이다.

골드버그 장치는 복잡하게 살아가는 인생에 대한 골드버그의 독특한 코멘트이자, 유머러스한 풍자이지요. 이 복잡한 기계 장치들을 따라가 보다 보면 "어? 고작 이걸 하려고 이렇게 복잡하게 왔단 말인가?"하며 어처구니 없어 웃게 됩니다.

인생을 행복하게 살기 위해서 우리에게 정작 필요한 건 가장 단순한 간단한 한두 가지일지도 모른다고 게 골드버그의 메세지입니다.

그러나, 골드버그가 단순한 것을 복잡하게 살고 있는 어리석음을 깨우쳐 주고 싶었더라도 그걸 깨우치기 위해서는 골드버그조차 가장 복잡한 표현을 택하지 않을 수 없었다.

본 고안은 이러한 골드버그 장치를 이용하여 위치에너지를 운동에너지로 바꾸거나 지렛대의 원리와 균형과 중력 가속도와 진자의 원리와 파스칼의 원리 등의 물리 원리를 눈으로 보게 하여 과학적 창의성에 대한 역발상의 생각을 가질 수 있게 하고 각종 물리원리를 학습할 수 있게 하는 골드버그장치를 제공함에 있다.

본 고안은 정육면체의 정면, 배면, 좌측면 및 우측면을 이용하여 물리원리를 학습할 수 있는 기구를 설치한 골드버그장치에 있어서, 사람이 밀어서 힘을 가하는 장남감 자동차와; 상기 장남감 자동차의 추진력에 의한 충돌로 도미노 원리로 넘어지는 수직으로 서 있는 다수 개의 사각판과; 상기 사각판의 최종판이 넘어져서 하중을 추가하면 균형이 깨져서 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가는 제1시소와; 상기 제1시소의 일측의 타격에 의해 회전하여 내부에 있는 제1구슬이 외부로 떨어지는 회전기구와; 상기 회전기구의 회전으로 상기 제1구슬이 떨어져 상기 제1구슬이 가지고 있는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌어 상기 제1구슬이 굴러 내려가는 제1레일과; 상기 제1레일에서 떨어진 제1구슬이 올라갔다 최상부에서 아래로 떨어지는 빗면기구와; 상기 빗면기구에서 떨어진 제1구슬이 아래로 구르는 제2레일과; 상기 제2레일에서 굴러 떨어진 상기 제1구슬의 충돌에 의해 움직이는 진자기구와; 상기 제1구슬의 충돌로 발생하는 상기 진자기구의 진폭 내에 존재하고 상기 진자기구의 진자의 타격으로 움직이는 제2구슬과; 상기 진자의 타격으로 상기 제2구슬이 굴러가는 제3레일과; 상기 제3레일에서 나온 제2구슬이 하중을 가하면 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가며, 가해지는 힘이 없으면 균형을 이루고 있는 제2시소와; 상기 제2구슬이 떨어져 하중을 가하면 상기 제2시소의 움직임으로 시계 방향으로 회전하는 망치와; 상기 제2시소의 힘으로 상기 망치가 움직이고 상기 망치의 타격으로 시계 방향으로 회전 하도록 피벗이 있고 물이 일부 채워져 있으며 뚜껑이 열린 물통과; 상기 망치의 타격으로 쏟아지는 물을 받을 수 있고 파스칼원리에 의해 내부에 있는 제3구슬이 들려 올려져 나오는 파스칼원리기구와; 상기 파스칼원리기구에서 나온 제3구슬이 떨어져 움직이는 제4레일과; 상기 제4레일에서 떨어진 제3구슬의 무게에 의해 일측은 내려가고 타측은 올라가며 타측에 제4구슬이 내장되어 있는 도르레기구와: 상기 제4레일에서 떨어진 제3구슬의 무게에 의해 상기 도르레기구가 작동하고 상기 도르레기구 내의 제4구슬이 들어가는 회전레일기구과; 상기 회전레인통에서 나온 상기 제4구슬이 떨어져 지렛대의 원리에 의해 상기 제4구슬이 떨어지는 반대측에 놓은 탁구공이 튀어 오르게 하도록 하는 제3시소와; 상기 제3시소에서 튀어 오른 탁구공이 골인하는 링이 부착된 농구골대로 구성되는 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치로서 본 고안의 해결하려는 과제를 해결할 수 있다.

본 고안의 각종 물리원리를 학습할 수 있게 하는 골드버그장치는 위치에너지를 운동에너지로 바꾸거나 지렛대의 원리와 중력 가속도와 진자의 원리와 파스칼의 원리등의 물리 원리를 눈으로 보게 하여 물리원리 이해를 도우며, 과학적 창의성을 키우는 효과가 있다.

도 1은 본 고안에 따른 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치의 전체 구성도
도 2는 본 고안에 따른 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치의 단계별 순서 요약도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 고안에 따른 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치의 단계별 순서 요약도이다.

도 1에 도시되어 있는 것 같이 본 고안의 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치는 정육면체의 정면, 배면, 좌측면 및 우측면을 이용하여 물리원리를 학습할 수 있는 기구를 설치한 골드버그장치에 있어서, 사람이 밀어서 힘을 가하는 장남감 자동차(C)와; 상기 장남감 자동차(1)의 추진력에 의한 충돌로 도미노 원리로 넘어지는 수직으로 서 있는 다수 개의 사각판(1)과; 상기 사각판(2)의 최종판이 넘어져서 하중을 추가하면 균형이 깨져서 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가는 제1시소(2)와; 상기 제1시소(2)의 일측의 타격에 의해 회전하여 내부에 있는 제1구슬(B1)이 외부로 떨어지는 회전기구(3)와; 상기 회전기구(3)의 회전으로 상기 제1구슬(B1)이 떨어져 상기 제1구슬(B1)이 가지고 있는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌어 상기 제1구슬(B1)이 굴러 내려가는 제1레일(R1)과; 상기 제1레일(R1)에서 떨어진 제1구슬(B1)이 올라갔다 최상부에서 아래로 떨어지는 빗면기구(4)와; 상기 빗면기구(4)에서 떨어진 제1구슬(B1)이 아래로 구르는 제2레일(R2)과; 상기 제2레일(R2)에서 굴러 떨어진 상기 제1구슬(B1)의 충돌에 의해 움직이는 진자기구(5)와; 상기 제1구슬(B1)의 충돌로 발생하는 상기 진자기구(5)의 진폭 내에 존재하고 상기 진자기구(5)의 진자(51)의 타격으로 움직이는 제2구슬(B2)과; 상기 진자(51)의 타격으로 상기 제2구슬(B2)이 굴러가는 제3레일(R3)과; 상기 제3레일(R4)에서 나온 제2구슬(B2)이 하중을 가하면 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가며, 가해지는 힘이 없으면 균형을 이루고 있는 제2시소(6)와; 상기 제2구슬(B2)이 떨어져 하중을 가하면 상기 제2시소(6)의 움직임으로 시계 방향으로 회전하는 망치(7)와; 상기 제2시소(6)의 힘으로 상기 망치(7)가 움직이고 상기 망치(7)의 타격으로 시계 방향으로 회전 가능하도록 피벗(81)이 있고 물이 일부 채워져 있으며 뚜껑(82)이 열린 물통(8)과; 상기 망치(7)의 타격으로 쏟아지는 물을 받을 수 있고 파스칼원리에 의해 내부에 있는 제3구슬(B3)이 들려 올려져 나오는 파스칼원리기구(9)와; 상기 파스칼원리기구(9)에서 나온 제3구슬(B3)이 떨어져 움직이는 제4레일(R4)과; 상기 제4레일(R4)에서 떨어진 제3구슬(B3)의 무게에 의해 일측은 내려가고 타측은 올라가며 타측에 제4구슬(B4)이 내장되어 있는 도르레기구(10)와; 상기 제4레일(R4)에서 떨어진 제구슬(B3)의 무게에 의해 상기 도르레기구(10)가 작동하고 상기 도르레기구(10) 내의 제4구슬(B4)이 들어가는 회전레일기구(11)와; 상기 회전레일기구(11)에서 나온 상기 제4구슬(B4)이 떨어져 지렛대의 원리에 의해 상기 제4구슬(B4)이 떨어지는 반대측에 놓은 탁구공(PB)이 튀어 오르게 하도록 하는 제3시소(12)와; 상기 제3시소(12)에서 튀어 오른 탁구공(PB)이 골인하는 링(131)이 부착된 농구골대(13)로 구성된다.

상기 제1시소(2)는 평상시 균형을 유지하고 있다가 상기 장남감 자동차(C)로 상기 사각판(1)에 힘을 가하면 상기 사각판(1)이 도미노 현상으로 넘어져 상기 제1시소(2)의 일측에 하중을 가하면 타측이 위로 올라가 상기 회전기구93)을 회전시킨다.

상기 회전기구(3)는 중앙에 피벗이 있어 회전 가능하게 고정되고 수직으로 세워진 회전축(31)과, 상기 회전축의 상단 일측에 고정되어 있고 내부에 상기 제1구슬(B1)이 적재된 구슬통(32)과, 상기 구슬통(32)이 회전하려는 힘을 상쇄하기 위하여 상기 회전축(31)의 하부를 잡고 있고 상기 회전축의 하단에 힘이 가해질 때는 풀어지도록 하는 지지선(331)을 가진 지지대(33)로 구성된다.

상기 진자기구(5)는 진자운동을 하며 쇠구슬로 된 진자(51)와, 상기 진자(51)에 연결되는 진자줄(52)과, 상기 진자(51)가 연결된 진자줄(52)을 고정하기 위한 진자지지대(53)로 구성된다.

상기 망치(7)는 상기 제2구슬(B2)이 떨어져 하중을 가하면 상기 제2시소(6)의 움직임으로 시계 방향으로 회전하는 피벗(611)이 있어 회전 가능한 자루(61)를 가지며 망치머리(62)가 상부로 향하여 수직으로 균형 상태를 이룬다.

상기 파스칼원리기구(9)는 상기 물통(8)의 물을 받을 수 있는 제1수조(91)와, 내부에 원활하게 움직이며 일측으로 경사진 스티로폼(921)과 상기 스티로폼(921) 위에 제3구슬(B3)이 얹혀져 있는 제2수조(92)와, 상기 제1수조와 제2수조를 연결해 주는 수조연결호스(93)로 구성되며, 상기 물통(6)은 충분히 양의 물이 공급될 수 있는 크기여야 한다.

상기 스티로폼(921)은 제4레일(R4) 쪽으로 경사져서 상기 제3구슬(B3)이 수위가 높아져 올라가면 자동으로 상기 제4레일(R4)쪽으로 구를 수 있도록 해야한다.

상기 도르레기구(10)는 상기 제4레일(R4)에서 떨어진 제3구슬(B3)이 담기는 제1바구니(101)와, 위에서 힘을 받으면 일면이 열리는 개폐문(1021)을 가진 상기 제4구슬(B4)이 담긴 제2바구니(102)와, 상기 제1바구니(101)와 제2바구니(102)를 연결하는 도르레줄(103)과, 상기 도르레줄(103)로 연결된 상기 제1바구니(101)와 제2바구니(102)가 오르락 내리락 할 수 있게 하는 도르레(104)로 구성되며, 상기 제1바구니(101)와 제4구슬(B4)이 담긴 상기 제2바구니(102)는 평형을 이룬다.

상기 회전레일기구(11)는 상기 제3구슬(B3)이 상기 제1바구니(101)에 담겨 하중이 가해지면 올라가는 제2바구니(102)의 개폐문(1021)을 열고 상기 제4구슬(B4)이 인입되면 굴러 내릴 수 있도록 경사진 인입구(111)와, 상기 제4구슬(B4)이 올라갔다 내려갔다를 반복하며 아래로 떨어지는 회전레일(112)과, 상기 제4구슬(B4)이 배출되는 배출구(113)와, 상기 회전레일(112)을 감싸고 상기 인입구(101)가 상부 측면에 부착되고 하부에 상기 배출구(113)가 부착되는 투명몸체(114)로 구성되는 구조이다.

상기 제1레일(R1), 제2레일(R2), 제3레일(R3), 제4레일(R4)과 회전레일(112)에는 구슬이 이탈하지 못하게 하는 레일가이드가 양측면에 형성되며, 상기 레일가이드는 굴러내려가는 면보다 약간 높게 양측면을 올려서 구슬이 이탈하지 못하게 하며, 레일의 최상단과 최하단 부분은 구슬이 저항을 받지 않고 안착되고 이탈될 수 있도록 앞쪽의 기구나 뒷쪽의 기구와 적절하게 배치하여야 한다.

상기 제3시소(12)는 일측에 탁구공(PB)이 올려져 있고 타측은 상기 회전레일기구(11)에서 상기 제4구슬(B4)이 자유 낙하하는 위치에 있으며 가해지는 힘이 없으면 균형을 이루는 구조인 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치이다.

상기 빗면기구(4)는 상기 제1구슬(B1)이 올라가는 경사면몸체(41)와 상기 경사면몸체(41)의 경사각도를 조절할 수 있는 각도조절기(42)로 구성되고, 상기 경사면몸체(41)의 최하부와 최상부는 곡선 형상으로 상기 제1구슬(B1)이 원활히 구를 수 있게 제작되며, 상기 경사면몸체(41)의 경사면(411)은 1000S, 100S, 6.3S의 3가지 표면거칠기로 교체할 수 있는 구조이며, 상기 경사면몸체(41)의 양측은 상기 제1구슬(B2)이 이탈되지 못하도록 하는 가이드(412)가 형성되고, 상기 각도조절기(42)에는 원하는 각도로 고정할 수 있는 고정기구(421)와 5도 단위로 각도가 표시되는 각도표시부(421)이 형성된 구조이다.

상기 표면거칠기의 1000S, 100S, 6.3S의 의미는 가공시 가공물의 표면에서 최저점과 최고점의 높이차(거칠기)가 1000㎛, 100㎛, 6.3㎛를 말하며 숫자가 높을수록 표면의 요철이 심하므로 거칠다는 의미한다.

도 2에 도시되어 있는 것 같이 본 고안의 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치를 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1단계로 상기 장남감 자동차(C)를 놀이를 하는 사람이 밀어서 힘을 가하는 단계로서 힘의 원천을 주는 단계이다.

제2단계는 도미노의 원리를 이해하는 단계로서 적당한 간격으로 배열해 놓은 사각판(1)에 물체에 힘을 가해서 넘어지게 하면 그 힘이 지속적으로 전달되면서 마지막 물체까지 넘어뜨리는 도미노 현상을 보여주는 단계이다.

도미노 과학에서 알 수 있는 것은 첫째 도미노가 쓰러지기 위해서는 중심보다 위를 때리며, 둘째 수평이동을 하지않는 한 바닥이 미끄러운 것에 주의해야 하고, 셋째 도미노의 간격은 쓰러지는 속도와 비례 관계하며 간격이 넓은 것보다 좁은 것이 속도가 빠르고, 넷째 동일한 폭 동일한 두께의 도미노는 높이가 높은 것이 빨리 쓰러지며, 다섯째 계단 위에 있는 경우 계단차가 도미노 높이의 25% 까지는 쓰러진다.

제3단계는 시소의 원리를 이해하는 단계로서 지레대의 원리와 같은 원리이며, 무거운 돌을 지레대를 이용하여 움직일 수 있고 보통 1-1.5m정도의 튼튼한 쇠막대를 사용하여 돌의 틈에다 넣고 돌이나 다른 받침대를 돌과 가까운 거리에 놓고 지레대를 누르면 돌이 들리는 원리라고 생각하면 되며, 여기서 사람이 누르는 힘과 누르는 손과 받침대사이의 거리의 곱은 돌과 받침대의 거리와 돌의 무게의 곱과 같으면 평형, 사람쪽이 더 크면 들리게 되고, 원리는 힘의방정식에서 시작되고 길이방향으로는 F=ma에서 힘뿐이다. 그러나 지레대와 같이 받침대를 기준으로 돌과 사람이 누르는 방향이 반대방향으로 힘이 작용하고 힘과 작용점 사이의 거리의 곱이 같으면 평형을 이루며 그래서 회전운동의 힘의 방정식입니다. 방정식은 다소 복잡합니다(속도변화, 반경변화, 가속도변화...).

그러나 시소나 지렛대의 경우는 힘과 받침대의 거리의 곱이 같으면 평형을 이루는 성분밖에 없으므로 쉽습니다. 힘x거리의 곱이 같으면 평형을 이루며 시소에 아이의 몸무게보다 2배인 엄마가 같이 탈려고 하면 시소의 중심에서 거리가 아이쪽이 엄마쪽의 2배라야 평형을 이룬다.

위와 같은 원리로 상기 사각판(2)의 최종판이 넘어져서 하중을 추가하면 균형이 깨져서 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가는 제1시소(2)이며 중심점이 존재한다.

제4단계는 균형의 원리를 이해하는 단계이며, 회전기구(3)는 중앙에 피벗이 있어 회전 가능하게 고정되고 수직으로 세워진 회전축(31)과, 상기 회전축의 상단 일측에 고정되어 있고 내부에 상기 제1구슬(B1)이 적재된 구슬통(32)과, 상기 구슬통(32)의 회전하려는 힘을 상쇄하기 위하여 상기 회전축(31)의 하부를 잡고 있고 상기 회전축의 하단에 힘이 가해질 때는 풀어지도록 하는 지지선(331)을 가진 지지대(33)로 구성되어 구슬통(32) 쪽이 무거워 회전할려는 힘을 상기 지지선(331)이 반대쪽 끝을 잡아주고 있어서 힘의 균형을 이루고 있다.

상기 제1시소(2)의 일측에 타격에 상기 회전기구(3)의 일측을 잡고 있는 상기 지지선(331)이 풀리면서 상기 구슬통(32)에 의해 회전하여 내부에 있는 제1구슬이 떨어진다.

제5단계는 위치에너지가 운동에너지로 바꾸는 것을 보여주고 또한 중력 가속도에 의해 속도가 증가하는 것을 보여주는 단계이다.

제1레일(R1)에서는 상기 회전기구(3)의 회전으로 상기 제1구슬(B1)이 떨어져 상기 제1구슬(B1)이 가지고 있는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌고 중력가속도를 받아 상기 제1구슬(B1)이 굴러 내려가게 된다.

제6단계에서는 운동에너지와 위치에너지의 관계 및 마찰력과 경사면의 마찰계수에 따른 저항을 볼 수 있는 단계이다.

상기 빗면기구(4)에 부착된 상기 각도조절기(42)에 의해 경사면몸체(41)의 경사 각도를 조절하여 상기 제1구슬이 올라가서 최상단을 넘을 수 있는 각도를 확인할 수 있고, 또한 같은 경사면의 각도일 때 상기 경사면몸체(41)의 경사면(411)을 교체하면 표면거칠기에 의해 받는 저항이 달라지므로 올라 갈 수 있는 높이가 다름을 알 수 있으며, 3가지 표면거칠기와 경사각도를 변화시켜 표면마찰저항에 따라 올라 갈 수 있는 높이가 틀림을 확인해 볼 수 있다.

상기 각도표시부(422)는 5도 간격으로 큰 눈금이 표시되고 1도 간격으로 세부눈금이 표시되는 것이 바람직하다.

제7단계는 제5단계와 동일하게 위치에너지가 운동에너지로 바꾸는 것을 보여주고 또한 중력 가속도에 의해 속도가 증가하는 것을 보여주는 단계이다.

제2레일(R2)에서 상기 빗면기구(4)에서 떨어진 제1구슬(B1)이 아래로 구르며 위치에너지가 운동에너지로 바꾸는 것을 보여주고 또한 중력 가속도에 의해 속도가 증가하는 것을 보여준다.

제8단계는 진자의 운동과 충돌에 의한 에너지의 이동을 보여주는 단계로서 상기 제2레일(R2)에서 굴러 떨어진 상기 제1구슬(B1)의 충돌로 움직이는 진자기구(5)와 상기 제1구슬(B1)의 충돌으로 발생하는 상기 진자기구(5)의 진폭 내에 존재하고 상기 진자기구(5)의 진자(51)의 타격으로 움직이는 제2구슬(B2)과의 에너지의 이동을 보여준다.

제9단계는 제5단계와 제7단계와 동일한 것을 보여주는 단계로서 상기 진자(51)의 타격으로 상기 제2구슬(B2)이 제3레일(R3)을 통하면서 운동에너지와 위치에너지의 상호 변환을 보여준다.

제10단계는 제3단계에서 보여주는 시소의 원리를 다시 보여주는 단계로서 상기 제3레일(R4)에서 나온 제2구슬(B2)이 하중을 가하면 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가며, 가해지는 힘이 없으면 균형을 이루고 있는 제2시소(6)에 의해 시소의 원리를 이해할 수 있다.

제11단계는 제4단계의 균형의 원리를 다시 보여주는 단계로서 상기 망치(7)이 균형을 이루고 있다가 상기 제2구슬(B2)의 떨어져 하중을 가하면 상기 제2시소(6)의 움직임으로 시계 방향으로 회전하는 망치(7)에 의해 가해지는 힘에 의해 균형이 깨지는 것을 보여준다.

제12단계는 물통(8)의 균형이 깨지는 것을 보여주는 단계로서 기 제2시소(6)의 힘으로 상기 망치(7)가 움직이고 상기 망치(7)의 가격으로 시계 방향으로 회전 가능하도록 피벗(81)이 있고 물이 일부 채워져 있으며 뚜껑(82)이 열린 물통(8)이 회전하여 물통(8) 내의 물이 쏟아지는 것을 보여준다.

제13단계는 파스칼원리기구(9)에 의해 파스칼의 원리를 응용하여 제3구슬(B3)를 들어올리는 것을 보여주는 단계이다.

파스칼의 원리는 밀폐된 용기에 담긴 유체에 가해진 압력은 유체의 모든 부분과 유체를 담은 용기의 벽까지 그 세기가 감소되지 않고 전달되며 이는 압력이 변할 때 기체의 부피가 바뀐다는 것만 바꾸면, 유체뿐만 아니라 기체의 경우에도 적용될 수 있다.(F1/A1=F2/A2 )

이와 같은 파스칼의 원리를 응용하여 상기 물통(8)의 물이 제1수조(91)에 쏟아지며 수위가 올라가고 수압이 증가하여 제2수조(92)의 수위를 올리며 제1수조(91)보다 제2수조(92)의 단면적이 적기 때문에 단면적의 비례만큼 제1수조의 수위의 변동보다 제2배수의 수위가 더 높아진다.

제14단계에서는 제5단계와 제7단계와 제9단계와 동일한 것을 보여주는 단계로서 상기 제3구슬(B3)이 제4레일(R4)을 통하면서 운동에너지와 위치에너지의 상호 변환을 보여준다.

제15단계에서는 도르레의 원리를 보여주는 단계로서 상기 제4레일(R4)에서 떨어진 제3구슬(B3)의 무게에 의해 일측은 내려가고 타측은 올라가며 타측에 제4구슬(B4)이 내장되어 있는 도르레기구(10)의 작동을 보여준다.

제1바구니(101)의 무게는 제4구슬(B4)이 내장된 제2바구니(102)의 무게와 동일하여 상기 제3구슬(B3)가 떨어지기 전에는 균형을 이루어 정지하고 있다가 상기 제3구슬(B3)가 떨어지면 제1바구니(101) 쪽의 무게가 무거워 상기 제3바구니(102)는 올라간다.

제16단계에서는 롤러코스트와 같은 원리를 보여주는 단계로서 상기 제4구슬(B4)가 받는 원심력과 중력이 같기 때문에 구슬이 회전레일기구(11)의 상부에 있어도 떨어지지 않는다.

원심력이라 함은 원운동을 하고 있는 물체에 나타나는 관성력입니다. 구심력과 크기가 같고 방향은 반대이며, 원의 중심에서 멀어지려는 방향으로 작용한다.

운동중인 물체 안의 관찰자는 힘이 작용한다고 느끼지만 실제로 존재하는 힘은 아니다.

우리가 공중에 거꾸로 매달려 있어도 떨어지지 않는 것은 원심력과 중력이 같기 때문이다. 예를 들어, 물이 든 양동이에 끈을 매달고 돌리면 물이 쏟아지지 않는다. 양동이의 물은 힘이 작용하지 않으면 그 상태를 유지하려 한다. 즉, 직선운동을 계속 하려고 한다. 이것은 양동이 끈을 놓쳐버리는 경우로 생각할 수 있다. 이때 양동이는 원의 중심방향과 반대 방향으로 퉁겨 나가지 않고 접선 방향의 포물선운동을 한다. 원운동에서 물체에 작용하는 힘의 방향은 원의 중심이다. 즉 원의 중심 방향으로 작용하는 구심력이 원의 접선 방향으로 날아가려는 양동이의 운동을 일정한 원운동으로 만들어 주는 것이다.

태양 주위를 도는 지구가 받는 힘은 만유인력이다. 이것이 구심력의 역할을 하고, 접선 방향으로 일정한 속력의 운동을 계속하려는 관성과 합쳐져서 원운동을 한다. 그렇다면 우리가 360도 회전을 할 때 원 바깥으로 잡아당겨지는 느낌은 무엇일까. 이는 회전하는 좌표계에서 생기는 원심력으로 가상적인 힘이다. 즉 좌표계가 움직이면 원래 작용하는 힘의 방향과 반대 방향으로 작용해 생겨나는 가상력(fictitious force)인 것이다.

단, 여기서 주의해야 할 것은 가상력은 롤러코스터 내부에 있는 사람만이 느낀다는 점이다. 롤러코스터 바깥에서 바라보고 있는 사람이 회전하는 롤러코스터에서 관찰하는 것은 구심력과 중력뿐이다.

롤러코스터가 회전의 정점에 있을 때, 롤러코스터 내부에 있는 사람은 중력과 구심력의 합력에 해당하는 원심력을 반대 방향으로 받기 때문에 떨어지지 않는다.

제17단계에서는 제3단계와 제10단계에서 보여주는 것과 같은 시소의 원리와 균형의 원리를 이해하는 단계로서 상기 회전레일기구(11)에서 나온 상기 제4구슬(B4)이 떨어져 지렛대의 원리에 의해 상기 제4구슬(B4)이 떨어지는 반대측에 놓은 탁구공(PB)이 튀어 오르게 하도록 하는 제3시소(12)에 의해 원리를 이해할 수 있다.

제18단계는 본 고안의 최종 목표인 농구골대(13)으로 골인하는 것을 보여주고 물체의 포물선운동을 이해하는 단계로서 상기 제3시소(12)에서 튀어 오른 탁구공(PB)이 포물선을 그리면서 골인한다.

위와 같이 상기 탁구공(PB)를 상기 농구골대(13)에 골인시키기 위하여 많은 단계를 거쳐 가장 단순한 과제를 해결하기 위해서 만든 가장 복잡한 기구를 통하여 이루도록한 골드버그장치이다.

본 고안의 각종 물리원리를 학습할 수 있게 하는 골드버그장치는 위치에너지를 운동에너지로 바꾸거나 지렛대의 원리와 중력 가속도와 진자의 원리와 파스칼의 원리등의 물리 원리를 눈으로 보게 하여 물리원리 이해를 도우며, 과학적 창의성을 키우는 효과가 있다.

C : 장남감 자동차 B1 : 제1구슬
B2 : 제2구슬 B3 : 제3구슬
B4 : 제4구슬 PB : 탁구공
R1 : 제1레일 R2 : 제2레일
R3 : 제3레일 R4 : 제4레일
1 : 사각판 2 : 제1시소
3 : 회전기구 31 : 회전축
32 : 구슬통 33 : 지지대
331 : 지지선 4 : 빗면기구
41 : 경사면몸체 411 : 경사면
412 : 가이드 42 : 각도조절기
421 : 고정기구 422 : 각도표시부
5 : 진자기구 51 : 진자
52 : 진자줄 53 : 진자지지대
6 : 제2시소 61: 자루
611 : 피벗 62 : 망치머리
7 : 망치 71 : 자루
711 : 피벗 72 : 망치머리
8 : 물통 81 : 피벗
82 : 배출구 9 : 파스칼원리기구
91 : 제1수조 92 : 제2수조
921 : 스티로폼 93: 수조연결호스
10 : 도르레기구 101 : 제1바구니
102 : 제2바구니 1021 : 개폐문
103 : 도르레줄 104 : 도르레
11 : 회전레일기구 111 : 인입구
112 : 회전레일 113 : 배출구
114 : 투명몸체 12 : 제3시소
13 : 농구골대 131 : 링

Claims (2)

1. 정육면체의 정면, 배면, 좌측면 및 우측면을 이용하여 물리원리를 학습할 수 있는 기구를 설치한 골드버그장치에 있어서,
   사람이 밀어서 힘을 가하는 장남감 자동차(C)와;
   상기 장남감 자동차(1)의 추진력에 의한 충돌로 도미노 원리로 넘어지는 수직으로 서 있는 다수 개의 사각판(1)과;
   상기 사각판(2)의 최종판이 넘어져서 하중을 추가하면 균형이 깨져서 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가는 제1시소(2)와;
   상기 제1시소(2)의 일측의 타격에 의해 회전하여 내부에 있는 제1구슬(B1)이 외부로 떨어지는 회전기구(3)와;
   상기 회전기구(3)의 회전으로 상기 제1구슬(B1)이 떨어져 상기 제1구슬(B1)이 가지고 있는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌어 상기 제1구슬(B1)이 굴러 내려가는 제1레일(R1)과;
   상기 제1레일(R1)에서 떨어진 제1구슬(B1)이 올라갔다 최상부에서 아래로 떨어지는 빗면기구(4)와;
   상기 빗면기구(4)에서 떨어진 제1구슬(B1)이 아래로 구르는 제2레일(R2)과;
   상기 제2레일(R2)에서 굴러 떨어진 상기 제1구슬(B1)의 충돌에 의해 움직이는 진자기구(5)와;
   상기 제1구슬(B1)의 충돌로 발생하는 상기 진자기구(5)의 진폭 내에 존재하고 상기 진자기구(5)의 진자(51)의 타격으로 움직이는 제2구슬(B2)과;
   상기 진자(51)의 타격으로 상기 제2구슬(B2)이 굴러가는 제3레일(R3)과;
   상기 제3레일(R4)에서 나온 제2구슬(B2)이 하중을 가하면 일측이 하부로 내려가고 타측이 상부로 올라가며, 가해지는 힘이 없으면 균형을 이루고 있는 제2시소(6)와;
   상기 제2구슬(B2)이 떨어져 하중을 가하면 상기 제2시소(6)의 움직임으로 시계 방향으로 회전하는 망치(7)와;
   상기 제2시소(6)의 힘으로 상기 망치(7)가 움직이고 상기 망치(7)의 타격으로 시계 방향으로 회전 가능하도록 피벗(81)이 있고 물이 일부 채워져 있으며 뚜껑이 열린 물통(8)과;
   상기 망치(7)의 타격으로 쏟아지는 물을 받을 수 있고 파스칼원리에 의해 내부에 있는 제3구슬(B3)이 들려 올려져 나오는 파스칼원리기구(9)와;
   상기 파스칼원리기구(9)에서 나온 제3구슬(B3)이 떨어져 움직이는 제4레일(R4)과;
   상기 제4레일(R4)에서 떨어진 제3구슬(B3)의 무게에 의해 일측은 내려가고 타측은 올라가며 타측에 제4구슬(B4)이 내장되어 있는 도르레기구(10)와;
   상기 제4레일(R4)에서 떨어진 제3구슬(B3)의 무게에 의해 상기 도르레기구(10)가 작동하고 상기 도르레기구(10) 내의 제4구슬(B4)이 들어가는 회전레일기구(11)와;
   상기 회전레일기구(11)에서 나온 상기 제4구슬(B4)이 떨어져 지렛대의 원리에 의해 상기 제4구슬(B4)이 떨어지는 반대측에 놓은 탁구공(PB)이 튀어 오르게 하도록 하는 제3시소(12)와;
   상기 제3시소(12)에서 튀어 오른 탁구공(PB)이 골인하는 링(131)이 부착된 농구골대(13)로 구성되고,
   상기 회전기구(3)는 중앙에 피벗이 있어 회전 가능하게 고정되고 수직으로 세워진 회전축(31)과, 상기 회전축의 상단 일측에 고정되어 있고 내부에 상기 제1구슬(B1)이 적재된 구슬통(32)과, 상기 구슬통(32)이 회전하려는 힘을 상쇄하기 위하여 상기 회전축(31)의 하부를 잡고 있고 상기 회전축의 하단에 힘이 가해질 때는 풀어지도록 하는 지지선(331)을 가진 지지대(33)로 구성되며,
   상기 진자기구(5)는 진자운동을 하며 쇠구슬로 된 진자(51)와, 상기 진자(51)에 연결되는 진자줄(52)과, 상기 진자(51)가 연결된 진자줄(52)을 고정하기 위한 진자지지대(53)로 구성되고,
   상기 망치(7)는 상기 제2구슬(B2)이 떨어져 하중을 가하면 상기 제2시소(6)의 움직임으로 시계 방향으로 회전하는 피벗(611)이 있어 회전 가능한 자루(61)를 가지며 망치머리(62)가 상부로 향하여 수직으로 균형 상태를 이루며,
   상기 파스칼원리기구(9)는 상기 물통(8)의 물을 받을 수 있는 제1수조(91)와, 내부에 원활하게 움직이며 일측으로 경사진 스티로폼(921)과 상기 스티로폼(921) 위에 제3구슬(B3)이 얹혀져 있는 제2수조(92)와, 상기 제1수조와 제2수조를 연결해 주는 수조연결호스(93)로 구성되고,
   상기 도르레기구(10)는 상기 제4레일(R4)에서 떨어진 제3구슬(B3)이 담기는 제1바구니(101)와, 위에서 힘을 받으면 일면이 열리는 개폐문(1021)을 가진 상기 제4구슬(B4)이 담긴 제2바구니(102)와, 상기 제1바구니(101)와 제2바구니(102)를 연결하는 도르레줄(103)과, 상기 도르레줄(103)로 연결된 상기 제1바구니(101)와 제2바구니(102)가 오르락 내리락 할 수 있게 하는 도르레(104)로 구성되며, 상기 제1바구니(101)와 제4구슬(B4)이 담긴 상기 제2바구니(102)는 평형을 이루며,
   상기 회전레일기구(11)는 상기 제3구슬(B3)이 상기 제1바구니(101)에 담겨 하중이 가해지면 올라가는 제2바구니(102)의 개폐문(1021)을 열고 상기 제4구슬(B4)이 인입되면 굴러 내릴 수 있도록 경사진 인입구(111)와, 상기 제4구슬(B4)이 올라갔다 내려갔다를 반복하며 아래로 떨어지는 회전레일(112)과, 상기 제4구슬(B4)이 배출되는 배출구(113)와, 상기 회전레일(112)을 감싸고 상기 인입구(101)가 상부 측면에 부착되고 하부에 상기 배출구(113)가 부착되는 투명몸체(114)로 구성되는 구조이며,
   상기 제1레일(R1), 제2레일(R2), 제3레일(R3), 제4레일(R4)과 회전레일(112)에는 구슬이 이탈하지 못하게 하는 레일가이드가 형성되고,
   상기 제3시소(12)는 일측에 탁구공(PB)이 올려져 있고 타측은 상기 회전레일기구(11)에서 상기 제4구슬(B4)이 자유 낙하하는 위치에 있으며 가해지는 힘이 없으면 균형을 이루는 구조인 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 빗면기구(4)는 상기 제1구슬(B1)이 올라가는 경사면몸체(41)와 상기 경사면몸체(41)의 경사각도를 조절할 수 있는 각도조절기(42)로 구성되고, 상기 경사면몸체(41)의 최하부와 최상부는 곡선 형상으로 상기 제1구슬(B1)이 원활히 구를 수 있게 제작되며,
   상기 경사면몸체(41)의 경사면(411)은 1000S, 100S, 6.3S의 3가지 표면거칠기로 교체할 수 있는 구조이며,
   상기 경사면몸체(41)의 양측은 상기 제1구슬(B2)이 이탈되지 못하도록 하는 가이드(412)가 형성되고,
   상기 각도조절기(42)에는 원하는 각도로 고정할 수 있는 고정기구(421)와 5도 단위로 각도가 표시되는 각도표시부(421)이 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 각종 물리원리를 학습할 수 있는 골드버그장치
   

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