[에듀 아틀리에 #2] 고무줄 배의 탄성과 페트병으로 보는 물의 부력: 5세 아이와 함께 부력과 에너지를 배우다

안녕하세요, 수학교사 엄마입니다. 😊

지난번 '젖지 않는 종이배' 실험에 이어, 이번 주말에는 아이의 호기심을 한 단계 더 확장해 보았습니다. "엄마, 배가 스스로 움직이게 하려면 어떻게 해요?"라는 질문에, 이번에는 모터 대신 오직 고무줄의 힘만을 이용한 '탄성 배'를 만들어 보았어요.

 

📖 책에서 찾은 아이디어

이번 실험의 영감은 아이와 함께 읽은 <배가 물에 둥둥>, <쓰레기산의 배 공장>이라는 책에서 얻었습니다. 책 속 주인공들이 고무줄과 플라스틱 조각을 이용해 배를 만드는 과정을 보며, 우리도 직접 도전해 보기로 했죠.

• 준비물: 스티로폼 판(지난번 배), 고무줄, 소형 플라스틱(아이스크림 막대), 셀로판테이프, 욕조.

 

 

🧪 실험 1: 고무줄의 '탄성'이 배를 움직여요! 

지난 실험에서 이미 배를 만들어두었기에, 이번 실험은 어렵지 않았습니다. 단, 관건은 프로펠러 역할을 할 조각(플라스틱, 아이스크림 막대 등)을 잘 준비하는 것입니다. 저는 처음에 굳힌 클레이(집에 마땅한 재료가 없어서) 를 활용해보려고 했는데 물에 닿으니 조금씩 녹기도 하고 힘도 부족하더라구요. 결국 똑딱핀을 고무줄에 연결하여 완성해내었습니다.

 

이제 가장 중요한 순간! 아이에게 고무줄을 직접 감아보게 했습니다.

 

<실험 방법>

1. 스티로폼 배를 자유롭게 만들기

2. 완성된 배 뒷부분에 프로펠러 공간 자르기

3. 플라스틱 조각(똑딱핀) 가운데에 고무줄을 끼우고 테이프로 고정

4. 프로펠러가 잘 돌아가도록 고무줄을 배에 끼워 고정

5. 고무줄을 여러번 감은 뒤 놓았을 때의 움직임 확인

 

다행히 배가 앞으로 슝~ 나아갔습니다. 아이에게 "배가 어떻게 움직이는 걸까?" 물으니, "물레방아처럼 돌아가면서 노처럼 젓는 거 같아"라고 답하네요.

• 수학교사 엄마의 과학 코멘트 (탄성 에너지): "고무줄을 뱅글뱅글 감으면 고무줄이 힘을 저장해(탄성 에너지). 그리고 물에 놓으면 고무줄이 풀리면서 저장했던 힘을 써서 프로펠러를 돌리고, 배를 앞으로 밀어주는 거야(운동 에너지)!"

 

 

🧪 실험 2: 페트병으로 배우는 부력과 무게의 평형 

배 실험을 마치고, 준비해 둔 페트병으로 무게에 따른 부력의 변화를 관찰했습니다. 여기서 수학교사 엄마의 호기심이 발동했죠. "과연 물을 꽉 채우면 페트병은 바로 가라앉을까?"

1. 공기만 넣었을 때: 아주 가벼워서 수표면에 살짝 얹혀있는 느낌입니다.
2. 물을 절반 정도 넣었을 때: 무게 때문에 아래로 더 잠기지만, 잠긴 만큼 물이 밀어내는 힘(부력)도 커져서 안정적으로 떠 있습니다.
3. 물을 거의 꽉 채웠을 때: 꽤 묵직해졌지만, 페트병이 물속에 많이 잠기면서 밀어낸 물의 부피만큼 부력이 더 세지기 때문에 완전히 가라앉지 않고 아슬아슬하게 떠 있는 모습을 관찰할 수 있었습니다.

• 수학교사 엄마의 과학 코멘트: 페트병이 무거워지면 아래로 더 깊이 가라앉으려고 해요. 하지만 재미있는 점은, 물에 잠기는 부분이 많아질수록 물이 페트병을 위로 밀어 올리는 힘(부력)도 같이 커진다는 것이죠! 결국 '무게'와 '부력'이 평형을 이루는 지점에서 페트병은 멈추게 됩니다. 아이와 함께 이 '힘의 줄다리기'를 눈으로 직접 확인한 신기한 시간이었습니다.

아이에게는 이렇게 설명해 주었어요. "페트병이 물속에 많이 들어갈수록, 물 친구들이 페트병을 영차영차 더 세게 밀어 올려주고 있는 거야!"

 

에필로그: 시행착오도 성장의 밑거름

사실 두번째 실험은 부력과 관련해서 '같은 무게의 클레이를 뭉쳤을 때와 얇게 펼쳤을 때 뜨는 정도'도 함께 비교해보고 싶었어요. 물에 닿는 면적과 부력간의 관계를 살펴보고 싶었거든요. 하지만 앞서 언급했듯 클레이는 물에 녹아 알맞은 재료가 아니었습니다. 

 

이렇게 다음 실험이 또 하나 정해졌네요.

다음 실험에서는 아이와 두 물체를 무게를 재어보고, 같은 무게이지만 물에 닿는 표면적이 달라 물에 뜨는 정도가 달라지는 모습을 관찰해보고 싶습니다. 언제가 될지 모르겠지만요^^

 

이러한 시행착오도 레지오 아밀레아의 중요한 요소가 아닐까요?