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새장안에 있는 새가 날아오르면 새장의 질량은 어떻게 될까?

http://sciencelove.com/1467


새장이 밀폐되어 닫힌계 안에 있다면 변하지 않을 것이다. 


실제로 실험해 볼 수 없어서 안타까웠는데

드론을 이용해서 실험해 볼 수 있게 되었다.


저울위에 밀폐된 용기안에 드론을 넣고 질량을 측정한 다음 공중에 띄우면 저울위 측정값은 어떻게 변할까?



실제 실험해 보니 밀폐된 용기 안에서는 질량이 거의 변하지 않음을 알 수 있었다.

가속하거나 충돌할때 순간적으로 생기는 질량변화를 무시한다면 평균적인 질량은 변하지 않는 것으로 보인다.


열린계에서는 닫힌계보다 질량의 변화가 훨씬 큰 것을 알 수 있었다.


동영상의 처음에는 반응이 조금 늦은 저울을 사용했는데

후반부에는 반응이 빠르고 미세한 변화까지도 측정할 수 있는 저울을 사용하였다.

(바람만 불어도 측정값이 바뀌는 저울)


좁은 공간에서 드론을 공중에 정지상태로 띄우기가 힘들어서

예전에 3D 프린터로 만든 드론 케이스 안에서 드론을 이륙시켜 벽에 부딪히는 것을 방지 하였다.

(날개 보호대가 달린 드론을 사용하면 더 좋을 듯)


완벽하지는 않지만 만족스러운 결과가 나와 기분이 좋다. 



 

 

아래는 추가로 찍어본 동영상

 

재미있는 점은 초반부에 뚜껑을 덮고 찍은 드론은 질량이 별 차이가 없는데 후반부에 뚜껑을 열어 놓고 촬영한 것은 드론이 떠오를때 질량이 살짝 증가하는 것을 볼 수 있다. 왜 그런지는 고민해 봐야 겠다.

 

고민해 본 결과 간단하게 생각을 정리하면

 

이론적으로 드론이 떠 오르기 위해서는 드론의 질량만큼 공기를 밀어내면 되기 때문에 측정값이 변할 이유가 없는데, 드론 주변 공기의 흐름이 영향을 미치기 때문이라 생각된다.

날개없는 선풍기의 원리처럼 선풍기가 발생시키는 바람에 주변공기의 흐름이 더해져 더 센 바람이 만들어지는 것처럼, 드론이 떠 오르는데 필요한 힘만큼 공기를 밀어 내는데 주변에 있던 공기들도 기류를 따라 함께 아래쪽으로 이동하기 때문에 실제 측정값은 더 커지는 것으로 보인다.

 

뚜껑을 닫으면 주변 공기의 흐름이 생기더라도 어차피 닫힌 계안에서의 공기의 흐름이므로 아래쪽에 충돌한 공기입자들은 위로 튕겨 올라가다가 위쪽에 충돌하면서 같은 힘으로 상자를 들어올리기 때문에 결국 주변 공기 흐름에 의한 측정값 변화는 나타나지 않는 것으로 보인다.

 

요기까지가 고민해서 내린 결론임. 정밀한 실험을 통해 증명한 사실이 아니므로 틀릴 수도 있음.

 


 

Posted by 민서아빠(과학사랑)

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  1. 초보교사 2016.05.10 14:59  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    궁금했던 실험 감사합니다^^

    단순히 이론만으로 따졌을 때 당연했지만 실험으로 보니 오히려 더 신기하네요.

    매번 좋은 실험 정말 정말 감사합니다^^

  2. 고등학생 2016.05.13 04:48  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    만약 드론이 아니고 새가 일정 높이를 유지하면서 퍼덕거린다면 전자저울의 값이 진동할텐데 이때는 질량보존의 법칙이 아니고 작용반작용이 되는건가요? 밀폐공간이라도 가속도가 생기면 전자저울의 값이 변한다고 하셨는데 질량보존법칙이 적용된다면 그 값은 절때로 변해서는 안되는거 아닌가요? 아니면 또 다른 힘이 작용했기 때문인가요? 인터넷에서 찾아보는 글중에는 수조의 물 + 물풍선의 질량을 잴때 물풍선이 어느 위치에 있던 간에 질량이 같은걸 예시로 들고있는데 이는 이 실험과 같은 걸로 볼 수 있을까요?
    곰곰히 생각하고 정리해봐도 머리가 너무 어지러워서 질문드립니다. 질문만 해서 죄송합니다.

    • 민서아빠(과학사랑) 2016.05.13 12:07 신고  댓글주소  수정/삭제

      질량보존법칙은 물리변화나 화학변화가 일어날때 물질을 구성하는 분자의 배열이나 원자의 배열이 바뀌더라도 원자의 종류나 갯수는 변하지 않기 때문에 질량이 변하지 않는 다는 겁니다.
      그런데 닫힌계에서 원자가 움직이지 않는다면 질량은 변화가 없겠지만 가속이 생기면 말씀하신 것처럼 순간적으로 작용 반작용이 일어나기 때문에 순간적으로 질량은 변하게 됩니다. 이때는 질량보존법칙을 적용하지 않지요. 뉴튼의 운동법칙을 적용해야 겠지요. ^^
      하지만 밀폐된 공간에서는 가속했던 물체는 벽에 부딪혀서 다시 감속해야 하기 때문에 결과적으로 평균을 내보면 질량은 변하지 않습니다.

    • 고등학생학생 2016.05.14 19:53  댓글주소  수정/삭제

      답변 감사합니다. 궁금했던게 해결되었어요!

  3. 촙촙교사 2016.05.18 20:50  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    와..역시.. 자주 방문하는 보람이 있습니다. 감사합니다 선생님
    항상 이론으로만 생각해봤던걸 실제로 보니 더 많은 영감을 불러 일으키는 것 같습니다.

    선생님의 맨 마지막 질문을 저도 한 번 생각해보았습니다.

    뚜껑이 닫힌 첫번째의 경우 외부 공기의 유입 없이 내부의 공기 순환으로만 드론이 뜨게 되어 드론이 아래로 보내는 공기 때문에 발생하는 힘과 그 공기로 인해 밀려난 공기들이 닫힌계의 벽에 부딪혀서 발생하는 힘 사이에 일어나는 힘의 평형이 순간적으로 일어날 수 있기 때문이고

    열린계인 두번째의 경우는 드론이 뜰 때 아래쪽으로 공기를 칠 것인데 이 힘에 대해 평형을 이루려면 위 쪽 뚜껑에 부딪히는 공기가 필요합니다. 하지만 열린계라 닫힌 뚜껑이 없어서 드론이 아래쪽으로 주는 힘에 대해 평형을 이룰만한 힘이 없어서 드론이 윗 방향으로 가속 할때는 무게가 증가해야할 것 같습니다.

    만약 이 말이 맞다면
    위쪽 뚜껑은 닫아놓고 옆에 벽을 제거해서 실험을 한 번 해보았을 때 첫번째와 두번째 경우의 평균이 저울값으로 나와야 할 것 같습니다.

    써놓고 보니 무너가 정리가 안된듯한 느낌이네요 ㅎㅎ

    생각하게 주셔서 감사합니다 선생님! 항상 좋은 자료 감사합니다!

    • 민서아빠(과학사랑) 2016.05.18 20:59 신고  댓글주소  수정/삭제

      선생님 말씀이 맞는 것 같습니다. 몇가지 추가 실험을 해 보았는데 그냥 드론만 띄울때도 측정값이 증가합니다. 드론이 급격히 떠 오르면 순간적으로 측정값이 많이 증가합니다. 작용 반작용에 의해 당연한 결과 겠지요.
      그리고 제가 생각한 원인도
      뚜껑이 열려 있을때는 아래쪽에 충돌한 공기가 위로 튕겨 나가 버리지만 뚜껑이 닫힌 경우에는 아래쪽에 충돌한 공기가 위쪽으로 튕겨 올라가다가 위쪽 뚜껑에 부딪히면서 뚜껑을 들어올리려고 하니까. 질량 변화가 거의 없는 것으로 보입니다.
      드론을 가속 운동시키지 않고 제자리에 띄워 놓았을때 닫힌계에서는 질량의변화가 없지만, 열린계에서는 질량이 증가합니다. ^^
      드론의 떠 있는 높이에 따라 어떻게 달라지는지, 통의 크기에 따라 어떻게 달라지는지 잘 연구해 보면 연구할 내용이 많을 것 같습니다. ^^