미스테리 튜브처럼 학생들에게 마술상자 겉에서 보이는 현상을 관찰하고, 내부구조를 알아보게 하는 또 다른 활동이다. 마술상자에 아래에 연결된 줄을 잡아 당기면 상자가 위로 올라가는 모습을 보여 주고, 내부 구조가 어떻게 되어 있는지 생각해 보게 하면 된다. 마술 상자는 도르래를 설명할 때도 활용이 가능하다.
일단 마술상자 관련 영상을 보자
https://youtu.be/l4ZKqkU_C_s
<마술상자 만들기>
1. 준비물
택배박스(A형B골 200X100X100mm), 송곳, 실, 가위)
2. 과학원리 및 탐구
아래로 줄을 잡아 당기는데 중력을 무시하고 위로 올라가는 마술상자를 탐구하면서 과학적 원리를 생각해 보자. 자세한 원리는 맨 아래 내용 참고
3. 만드는 방법
가. 택배박스 양쪽 가운데 송곳으로 구멍을 만든다.
나. 아래쪽 구멍에 실을 통과시키고 그 실을 구멍 옆쪽에 묶어서 고정시킨다.
(실을 옆쪽에 묶지 않고 구멍을 하나 더 뚧어서 고정시켜도 좋다.)
다. 위쪽 구멍에 실을 통과시키고, 아래쪽 줄이 잘 지나다닐 수 있도록 고리 모양으로 묶어 준다. 고리 모양을 만들 때 아래쪽 줄을 통과시킨 상태에서 만들어야 한다. (실제 원형 고리를 이용해서 만들어도 좋다.)
라. 잡아 당겨서 잘 작동하는지 확인한다.
마. 잘 작동하면 택배박스를 접어서 위쪽 줄을 천장에 고정시키고 실험해 보자.
바. 실험이 끝나면 택배박스를 접어 보관하도록 하자.
<과학적 원리>
마술상자는 자세히 살펴보면 고정 도르래의 원리가 적용되어 있다. 고정 도르래의 경우 한쪽 줄을 손으로 잡아 당기면 반대쪽 줄에 매달린 물체가 잡아 당긴 줄의 길이 만큼 위로 올라온다. 그리고 반대쪽 줄에 매달린 물체는 어떻게 매달려 있던지 상관없이 잡아당긴 만큼 위로 올라와야 한다. 아래 그림처럼 상자의 어느부분이 연결되어 있는지는 중요하지 않다.
맨 오른쪽 그림처럼 속이 빈 상자는 아래쪽이 줄로 연결되어 있고, 크기가 커서 고정도르래를 감싸고 있는 형태다. 언뜻 보면 약간 혼란스럽게 느껴질 것이다. 그냥 잘 살펴보면 고정도르래의 원리라는 걸 알 수 있다. 쉽게 생각하면 속이 비어있는 박스를 고정도르래 앞 뒤로 연결해 놓았다고 보면 된다.
아래 3개의 그림은 같은 고정도르래에 같은 박스가 매달려 있는 고정도르래 그림이다.
아래쪽 줄을 잡아 당기면 위에 있는 줄(고정도르래)을 중심으로 잡아 당긴 만큼 반대쪽 줄이 택배박스를 끌고 올라간다. 고정도르래 원리와 같기 때문에 잡아당긴 줄의 길이 만큼 반대쪽 물체가 따라 올라가야 하는데, 언뜻 보면 잡아당긴 줄 길이의 절반만큼 택배박스가 끌려 올라가는 것처럼 보인다. 왜 그럴까?
이는 기준점을 제대로 잡지 않아서 생기는 착각이다. 처음위치를 표시하고, 나중위치를 비교하면 잡아당긴 줄의 길이 만큼 택배박스가 올라갔다는 걸 알 수 있다.
위로 올라간 택배박스 끝부분에서부터 줄의 길이을 생각하다 보니 택배박스가 올라간 높이 보다, 잡아 당긴 줄이 2배가 더 길다고 착각하게 된다.
마술상자를 뒤집어서 잡아 당기면 마술상자는 올라가지 않는다. 무리해서 잡아 당기면 줄이 끊어질 수도 있다. 줄에 가해지는 마찰력을 줄인다면, 어느정도 가능할 수도 있지 않을까? 고민해 보자.
<추가실험>
택배박스를 이동하지 못하게 고정시켜 놓고 아래쪽 줄을 잡아 당기면 반대쪽 줄이 잡아당긴 길이 만큼 올라간다. 고정도르래와 같은 원리가된다.
택배박스를 뒤집어서 고정시켜 놓고, 위쪽으로 줄을 잡아 당기면 움직도르래와 같은 실험이 된다. 위에 잡아당긴 줄의 길이에 절반만큼만 아래쪽 실이 끌려 올라오는 걸 확인할 수 있다.
<그냥 끄적 거려본 추가 생각들 – 아직 모두 미완성>
