헤론 분수 는 AD 1세기의 발명가이자 수학자이자 물리학자인 알렉산드리아의 헤론(알렉산드리아 의 영웅이라고도 함)이 발명한 분수다. 지금처럼 전기장치가 없던 시절에 물의 위치에너지를 이용하여 수압차이와 기압차이를 이용해서 오랫동안 뿜어져 나오는 분수를 만들었다.
페트병을 이용해서 간단하게 헤론 분수를 만들고 원리를 탐구해 보자.
일단 동영상을 보자
<준비물>:
페트병 3개, 이탄뚜껑(구멍이 2개 뚫린 이산화탄소를 이동시키기 위해 만들어진 페트병 뚜껑, ) 3개,
일회용 스포이트(1ml) 1개, 가위
비닐튜브(내경4X외경6mm) 2m 필요 : 50cmX3개, 25cm X2개로 잘라서 사용
* 비닐튜브나 스포이트를 끼울 때는 따뜻한 물에 담가 부드럽게 하거나, 볼펜으로 입구를 넓혀서 끼우면 편리하다.
<헤론의 분수 만들기>
1. 연결 구멍 2개가 뚫린 페트병 뚜껑 3개를 준비한다.
- 직접 뚫어도 되지만 이탄뚜껑을 이용하면 편리하다.
2. 페트병 내부 한쪽만 튜브가 바닥에 닿도록 뚜껑에 끼워 긴 관을 만든다. 이런 페트병 2개를 준비한다.
3. 2개의 페트병을 길이가 짧은 쪽 구멍 끼리 튜브로 연결한다.
4. 페트병 하나는 절반 쯤 자르고, 뒤집어서 기존 페트병 2개에 그림처럼 연결한다. 이때는 긴 관쪽 구멍과 연결하면 된다.
5. 뒤집어 놓은 페트병 뚜껑 한쪽(일단 왼쪽)에 분수관(일회용 스포이트 절반 자른 것)을 끼운다. (잘 안들어가면 스포이트 입구를 볼펜등으로 너ᇸ혀서 넣는다)
6. 왼쪽 페트병에 물을 채우고 오른쪽 페트병 보다 높은 곳에 위치 시킨다. 그리고 뒤집어 진 페트병에 물을 약간 부어주면 물이 순환하면서 분수가 나온다. 위쪽 병에 물이 다 사라지면 더 이상 분수는 작동하지 않는다. 그럼 아래쪽 병에 있는 물을 다시 위쪽병으로 옮겨주면 또 다시 작동하게 할 수 있다.
7. 뚜껑을 열고 다시 물을 채우는 것이 불편하기 때문에, 물이 더이 상 나오지 않으면 뒤집어 놓은 페트병 뚜껑의 분수관을 오른쪽으로 옮기고 왼쪽 페트병은 내리고 오른쪽 페트병을 올려 페트병 높이만 바꿔도 다시 분수가 나온다.
<과학적 원리>
1번 분수에 물을 부으면, 수압차에 의해 1번 분수에 있던 물이 2번 페트병으로 흘러 내려간다. 그럼 2번 병에 있는 공기가 압력이 커져서 적색 연결관을 따라 3번 페트병으로 이동하게 된다. 3번 페트병에 공기가 이동해 오면 기압이 커지게 되고, 증가된 기압은 3번 페트병에 있는 물을 파란색관을 통해 1번 분수관으로 밀어올리게 된다. 그럼 1번 분수에서 물이 나온다. 뿜어져 나와 고인물은 다시 2번 페트병으로 흘러 내려가면서 같은 작용이 반복되면서 계속해서 분수가 나오게 된다.
단 3번 페트병의 물이 다 없어지거나 2번 페트병에 물이 가득차면 관속에 든 물 때문에 수압차가 생기지 않아 더 이상 분수는 작동하지 않는다. 뚜껑을 열어 2번 페트병에 모인 물을 다시 3번 페트병으로 옮겨 주고 뚜껑을 닫으면 분수가 작동하게 된다. 그런데 매번 뚜껑을 열고 물을 옮기는 일은 생각보다 불편하다.
2번과 3번 페트병의 높이차가 없다면 어떻게 될까? 그럼 분수는 작동하지 않는다.
1번 페트병 높이도 중요하지만 사실은 1번과 2번 페트병의 수압차이가 1번과 3번 페트병의 수압차이보다 커야지만 물과 공기가 이동한다는 것을 알 수 있다.
따라서 1번과 2번 페트병이 고정된 상태에서 3번 페트병을 높이 올리면 올릴수록 분수는 더 잘 나오는 것을 볼 수 있다. 정확하게 말하면 1-2번 페트병의 수압차이는 클수록 1-3번 페트병의 수압차이가 작을수록(3번 병이 1번 병보다 더 수압이 세서 음수가 되면 더 좋다.) 될수록 분수가 잘 나온다.
<추가>
이번 실험은 예쁜 모양을 만드는 것 보다는 원리를 파악하는데 중점을 두었다. 그리고 한번 작동이 끝나면 뚜껑을 열고 물을 다시 채우는 과정이 불편하기 때문에 쉽게 분수를 작동시키는 방법을 추가로 고민해 보았다. 물을 옮기지 않아도 간단한 방법으로 해결 할 수 있다. 원리를 탐구해 보면 알겠지만, 2번페트병을 3번 페트병 보다 더 높이 올리고, 1번 페트병에 분수관 위치만 바꿔 주면 똑같은 원리로 작동한다는 것을 알 수 있다. 뚜껑을 열고 물을 옮기지 않아도, 분수관 위치와 2,3번 페트병의 위치만 바꿔 주는 것 만으로 분수를 계속 작동하게 할 수 있다.
<응용>
페트병 위치를 바꿔 가면서 원리만 유지 시키면 다양한 형태로 만들 수 있다.
같은 원리 다른 작품들
