마찰력 실험에서 평상시 수업시간에 설명하던 줄다리기를 이용해 재미있는 가상 실험을 만들어 보았다
줄다리기 마찰력 실험
사실 줄다리기는 마찰력 싸움이다.
https://sciencej1.cafe24.com/sci1/AR_friction1.html
줄다리기는 힘이 센 쪽이 이기는 것이 아니라 마찰력이 큰 쪽이 이긴다.
마우스로 사람을 드래그 해서 양쪽에 배치하고 시작을 누르면 줄다리기 하는 것을 볼 수 있다.
(캠 카메라를 켜면 마우스 대신 손가락으로 사람을 집어서 올려 놀 수 있다.)
마찰력은 무게가 무거울수록(수직항력이 클수록) 크기 때문에 가벼운 사람 보다는 무거운 사람이나, 같은 사람이라도 무거운 가방을 메고 있는 사람이 이긴다.
또 같은 사람이 줄다리기를 할 때 바닥면이 미끄러우면 이길 수 없다.
1. 마찰력은 무게가 무거울수록 크다.
수업시간에 아래 그림을 보여 주며 질문한다. 키는 작지만 천하장사 인 사람과, 몸무게는 많이 나가지만 힘이 약한 사람이 줄다리기 하면 누가 이길까?
힘이 센 사람이 이길 것 같지만, 다른 조건이 모두 같다면 몸무게가 무거운 사람이 이긴다. 왜냐하면 무게가 무거울수록 마찰력이 커지기 때문이다.
2. 마찰력은 접촉면이 거칠수록 커진다.
그리고 접촉면이 거칠수록 마찰력이 크기 때문에 모래밭과 빙판에서 줄다리기를 하면 당연히 모래밭에 이긴다.
빙판에서는 마찰력이 작아지기 때문에 가벼운 사람이 잡아 당겨도 쉽게 끌려온다.
가상실험에서도 바닥 재질을 바꿔 보면서 줄다리기 시합을 시켜 보면서 누가 이기는지 확인해 볼 수 있다.
3. 추가로 수업시간에 학생들에게 자주 내는 문제다.
주차장에 막고 있는 차를 밀어야 하는데, 차가 무거워서 밀릴듯 말 듯 하면서 밀리지 않고, 자꾸 내 발만 미끄러 진다. 그 때 메고 있던 무거운 가방을 내려 놓고 미는 것이 좋을까? 아니면 더 무거운 가방을 메고 미는 것이 좋을까?
대부분 무거운 가방을 벗고 밀어야 힘을 쓸 것처럼 생각하지만, 사실 더 무거운 가방을 메고 미는 것이 유리하다.
발이 미끄러지는 것은 자동차 보다 마찰력이 작기 때문이다. 더 무거운 가방을 메면 무게가 무거워 지고 지면과의 마찰력이 커지기 때문에 밀릴듯 말듯 한 자동차를 쉽게 밀 수 있다.
4. 견인차가 무거운 차를 끌때도 마찬가지다.
가상실험에서도 확인해 볼 수 있게 만들었다. 견인차를 선택하고 진흙 구덩이에 빠진 상자를 끌어올리는 실험을 통해 마찰력을 확인해 볼 수 있다.
진흙에 빠진 상자를 끌어 올리려면 상자에 실은 짐을 내려서 무게를 줄이거나, 아니면 견인차에 상자를 더 실어서 견인차 무게를 무겁게 만들면 된다.
또다른 방법은 견인차 타이어에 체인을 감아서 마찰력을 크게 하는 방법도 있다.
위에서 언급한 내용은 결국 상자의 마찰력을 작게 하거나, 자동차의 마찰력을 크게 하는 방법이다.
* 오개념 : 상자가 끌려오지 않으면 자동차가 끄는 힘 보다 마찰력이 크기 때문이라고 생각하는 경우가 많다.
자동차가 끄는 힘과 마찰력이 같기 때문에 안 끌려 오는 것이다. 만약 마찰력이 더 크다면 힘의 합력에 의해 자동차가 뒤로 끌려가야 한다.
상자에 밀거나 당기는 힘을 주지 않으면 마찰력은 생기지 않는다. 상자를 운동시키려고 하면, 마찰력은 운동방향의 반대 방향으로 생긴다. 만약 상자가 움직이지 않는 다면 작용한 힘과 같은 크기의 마찰력이 작용한 힘의 반대 방향으로 생겨 힘이 평형을 이루고 있는 것이다. 힘이 더 커지면 마찰력도 더 커진다.
흔히 마찰력이 크기 때문에 상자가 움직이지 않는 다라고 설명하는 것은 상자가 버틸 수 있는 최대정지마찰력을 이야기 하는 것이다. 상자를 움직이기 위해서는 상자의 최대 정지 마찰력 보다 더 큰힘이 필요하다.
상자에 생기는 마찰력은 상자가 움직이지 않는 한 작용한 힘과 같은 크기의 마찰력이 반대 방향으로 생기기 때문이다.
5. 이처럼 마찰력을 잘 이용하면 실제 생활에서도 적용할 수 있다.
무거운 가구를 밀어서 옮길 때 가구 다리나 아래에 한쪽면이 고무로 된 목장갑을 4군데 받쳐 주면 더 쉽게 밀어 옮길 수 있다. 당연히 빨간색 고무면이 위쪽을 향해야 한다.
그래야 가구의 다리는 장갑에서 미끄러지지 않고, 장갑과 접촉한 바닥면은 쉽게 미끄러 진다.
<참고자료>
체육대회 때 실제 줄다리기 시합에 적용해서 우승했던 경험이다.
단체 줄다리기 이기는 필승법
줄다리기 이기는 필승법 (최근에 오징어 게임에도 줄다리기 시합이 나왔다.) 프로그램을 다운 받아 보기 힘든 경우가 있어서 동영상으로 변환시켜 프로그램 내용을 올려 놓았다. 부연 설명- 줄
sciencelove.com
예전에 UCC 과학탐구대에 소개했던 내용이다.
SBS UCC 과학탐험대에 출연(줄다리기) - 마찰력 - 접촉면상태
2008년 7월 SBS UCC 과학탐험대에 저희학교 2학년 학생들과 출연했어요이번에는 마찰력 실험원래 신발에 고무줄을 감은팀과 감지 않은 팀의 경기를 하려고 했는데제가 반대 했습니다.이미 신발밑
sciencelove.com
---- 아래는 이전에 만들었던 상자 밀기 실험----
가운데 놓인 상자를 밀어 보면서 마찰력을 탐구하는 실험이다.
마우스로 조작도 가능하지만, 카메라를 켜고 손으로 조작도 가능하다. 손으로 원하는 물체를 집어서 옮기면 된다.
아래 링크를 눌러 실행하고 카메라를 켜고 손가락으로 사람이나 상자를 잡아서 움직여 보기 바란다.
간단하게 상자를 미는 마찰려 실험이다.
상자의 마찰력은 상자의 무게가 무거울수록, 상자 밑면의 접촉면이 거칠수록 커진다.
상자위에 짐을 올리면 무게가 무거워 지면서 마찰력이 커지는 것을 확인할 수 있다.
그리고 상자 밑면의 접촉면의 거칠기도 바꿔 볼 수 있다.
사람도 마찰력의 영향을 받는다. 사람을 상자 뒤로 이동시켜면 사람은 상자를 밀게 된다.
그런데 한 사람이 밀 수 있는 힘은 150N 이다. 만약 상자의 마찰력이 크면 사람의 발이 뒤로 미끄러 지면서 상자는 움직이지 않는다.
등에 무거운 가방을 멘 사람은 힘이 세지는 것이 아니라, 자신의 무게가 증가해서 마찰력이 증가하기 때문에 미는 힘이 200N 으로 커지는 것이다.
(줄다리기 시합을 할 때 무거운 가방을 메고 하면 마찰력이 커져서 이길 수 있다)
재미있는 건 상자가 움직이지 않늘 때 사람이 미는 힘 만큼 마찰력의 크기도 증가한다는 것이다. 즉 힘이 평형을 이루고 있기 때문에 상자는 이동하지 않는 것이다. (많은 학생들이 마찰력이 커서 이동하지 않는다고 생각한다. )
사람을 들어서 올려 놓으면 알아서 상자를 민다.
우측아래에서 카메라 켜기를 누르고 실험을 하면 화면에 나오는 자신의 손가락으로 사람이나 짐을 들어서 옮길 수 있다.
다양하게 실험해 보면서 마찰력의 크기가 무게와 접촉면과 관련이 있다는 것을 게임 하듯이 규칙을 찾아내면 좋겠다.
아래 영상을 보면 이해하기 쉬울 듯
https://www.youtube.com/watch?v=VnlipaurgxQ
