로드 바이크 항속에 최적화된 라이더 자세 및 프레임 형상 탐구

② 탐구 동기

평소 자전거를 즐겨 타면서 같은 힘으로 페달을 밟아도 자세나 자전거 모양에 따라 속도가 다르다는 것을 경험했다. 공기저항이 주된 원인이라는 것은 알았지만, 구체적으로 어떤 형상과 자세가 가장 유리한지 궁금해서 이 주제를 선택했다.

③ 팀원 및 역할

30101 기주성 — 팀장, 문헌 자료 조사 총괄 30303 코주부 — 형상별 비교 데이터 정리 30404 홍길동 — 보고서 작성 및 시각화

④ 탐구 방법 (예정)

공기역학 관련 논문 및 유튜브 영상 자료 조사, 프로 선수들의 자세 비교 분석, 시뮬레이션 앱(또는 AI)을 활용한 항력 계수 비교

⑤ 기대하는 결과

라이더 자세(에어로 포지션 vs 업라이트)와 프레임 튜브 형상(원형 vs 에어로 단면)에 따른 공기저항 차이를 수치로 비교하고, 실용적인 최적 자세 가이드를 도출하고 싶다.

실제 활동에서는 위 링크의 구글 문서에 접속해서 파일-사본 만들기로 복사해서 편집해서 공유 URL 생성해서 패들렛에 링크 걸어 공유하세요.

어떤 주제로 이야기했는지, 어떤 의견들이 나왔는지

② 역할 분담 현황

팀원 이름 / 맡은 역할 / 오늘 한 일

③ 조사·탐구 진행 상황

현재까지 파악한 내용 요약, 참고한 자료 링크

④ 막히는 부분 또는 해결해야 할 과제

아직 답을 못 찾은 것, 내일 해야 할 것

⑤ 내일(목) 계획

보고서 작성을 위해 오늘 밤~내일 각자 할 일

지도 교사 선생님께서는 구글 문서의 댓글 기능 이용해서 피드백 해주세요

2. 탐구 동기
평소 전지에서는 산화-환원 반응을 통해 전압이 발생한다는 화학적 원리를 학습하면서, 생성된 전압이 실제 회로에서 어떤 전류를 만들어 내는지에 대한 물리적 해석으로 관심을 가지게 되었다. 특히 물리 시간에 학습한 옴의 법칙을 통해 전압, 전류, 저항 사이의 관계를 배우면서, 전지의 성능은 단순히 전압만으로 결정되는 것이 아니라 내부 저항과 전해질의 전기 전도도에 의해서도 달라질 수 있다는 점이 흥미롭게 느껴졌다. 이에 화학 반응으로 전압을 생성하는 다니엘 전지를 직접 제작하고, 황산구리와 황산아연 용액의 농도를 변화시키며 전압과 전류가 어떻게 달라지는지를 측정해보고자 하였다. 또한 측정된 결과를 옴의 법칙에 적용하여 전압 변화가 전류에 미치는 영향을 분석하고, 전해질 농도 변화에 따른 이온 이동과 전기 전도도의 변화가 전지의 전기적 특성에 어떤 영향을 미치는지 화학, 물리적 관점에서 함께 탐구하고자 본 주제를 선정하였다.

3. 팀원 및 역할
30814 심현지 (조장), 30403 김민서 (팀원), 30619 이채령 (팀원)

4. 탐구 방법 (예정)
1) 황산구리와 황산아연 수용액을 각각 서로 같은 농도로 제조한 뒤, 구리판과 아연판, 염다리를 이용하여 다니엘 전지를 제작한다.
2) 전해질 농도를 제외한 전극의 크기, 용액의 부피, 온도, 염다리의 종류 등모든 조건은 동일하게 유지하여 전해질 농도만이 전압과 전류에 미치는 영향을 비교할 수 있도록 한다.
3) 각 농도에서 다니엘 전지의 개방회로 전압을 전압계를 이용하여 측정한다.
4) 측정한 전압과 전류 데이터를 이용하여 옴의 법칙을 적용하고, 전압과 전류의 관계를 분석한다.
5) 측정한 전압과 전류 값을 바탕으로 전지의 내부 저항을 계산하고, 전해질 농도 변화에 따른 내부 저항의 변화를 비교, 분석한다.
6) 전해질 농도에 따른 전압, 전류, 내부 저항의 변화를 정리하여 비교하고, 전해질의 이온 농도와 전기 전도도의 변화가 전지의 전기적 특성에 미치는 영향을 종합적으로 해석한다.

5. 기대하는 결과
다니엘 전지의 전해질 농도가 증가할수록 용액 내 이온의 수가 증가하여 전기전도도가 향상되고 이온의 이동이 원활해질 것으로 예상된다. 이에 따라 전지의 내부 저항은 감소하고 회로에 전류가 흐를 때 전압 강하가 줄어들어 단자전압과 전류가 증가하는 경향을 보일 것으로 기대한다. 또한 전압과 전류의 측정 결과를 옴의 법칙과 연계하여 분석하면 전압이 증가할수록 전류도 함께 증가하는 관계를 확인할 수 있을 것으로 예상된다. 기전력과 단자전압의 차이를 이용하여 계산한 내부 저항은 전해질 농도가 높을수록 작아지는 경향을 나타낼 것으로 기대하며 이를 통해 전해질 농도가 다니엘 전지의 전기적 특성과 에너지 전달 효율에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하고자 한다. 나아가 화학적 관점에서는 전해질 농도가 이온의 이동성과 전기 전도도에 미치는 영향을 이해하고, 물리적 관점에서는 옴의 법칙과 내부 저항의 개념을 실제 전지에 적용하여 전압, 전류, 저항 사이의 관계를 정량적으로 분석할 수 있을 것으로 기대한다. 이를 통해 화학 반응과 전기 회로가 서로 밀접하게 연결되어 있음을 종합적으로 이해할 수 있을 것으로 예상한다. 다만 일정 농도 이상에서는 전기 전도도의 증가가 둔화되거나 내부 저항 감소 효과가 제한될 가능성도 함께 확인하고자 한다.

다양한 방법을 이용한 재질별 마찰계수 측정 및 비교

② 탐구 동기

2학년 수학Ⅱ에서 함수의 극한과 미분을 배우며 제동거리와 관련된 내용을 학습하는 과정에서, 제동거리 공식을 이용해 마찰계수를 구할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 수학에서 배운 개념을 활용해 실제 물리량을 계산할 수 있다는 점이 흥미롭게 느껴졌다. 이후 마찰계수를 측정하는 방법이 제동거리를 이용한 방법 외에도 경사면법 등 여러 가지가 있다는 것을 알게 되었고, 하나의 측정 방법만으로 얻은 값을 그대로 받아들이기보다 여러 방법으로 측정한 결과를 비교해 보고 싶다는 생각이 들었다. 또한 같은 재질이라도 측정 방법에 따라 마찰계수 값에 차이가 발생하는지 확인해 보고자 이 주제를 선정하였다.

③ 팀원 및 역할

* 30410 김주희 : 팀장, 실험 구상 및 계획서 작성

* 30401 김가윤 : 준비물 선정 및 실험 구상

* 31005 김유미 : 문헌 자료 조사

④ 탐구 방법

먼저 문헌 조사를 통해 경사면법과 제동거리법의 이론적 원리를 조사하고, μ = tanθ와 ½mv² = μmgd가 어떤 조건에서 성립하는지 정리한다. 이후 실험은 두 가지 방법으로 진행한다.

첫 번째는 경사면법으로, 각도 조절이 가능한 경사대와 나무판을 이용하여 재질별(고무, 나무, 플라스틱 등) 임계각을 측정하고 이를 통해 정지마찰계수를 구한다. 두 번째는 제동거리법으로, 물체를 일정한 속도로 미끄러뜨린 뒤 줄자를 이용해 제동거리를 측정하고, 슬로모션 영상의 프레임 분석을 통해 초기속도를 구하여 운동마찰계수를 계산한다.

실험 결과는 엑셀을 이용해 평균과 표준편차를 계산하고, 필요할 경우 파이썬 시뮬레이션을 활용하여 이론값과 비교·분석한다.

⑤ 기대하는 결과

경사면법과 제동거리법으로 측정한 재질별 마찰계수를 표로 정리하여 비교하고, 정지마찰계수와 운동마찰계수의 차이 및 측정 과정에서 발생한 오차의 원인을 분석하고자 한다. 이를 통해 측정 방법에 따라 마찰계수 값이 어떻게 달라지는지 확인하고, 각 측정 방법의 특징과 한계를 비교·분석할 것으로 기대한다.

경사면법에서 임계각을 정확하게 측정하는 방법과 제동거리법 실험 설계에 대해 논의함. 각도기로 직접 읽는 것보다 경사대 높이·밑변 길이를 자로 재서 tanθ로 역산하는 게 오차가 적다는 결론을 냄. 제동거리 실험은 손으로 미는 방식 대신 경사로 낙하 방식으로 초기속도를 재현성 있게 부여하기로 했고, 초기속도는 슬로우모션 영상 프레임 분석으로 측정하기로 함.

2. 역할 분담 현황

- 30410 김주희 (실험 구상, 계획서 작성) : 경사면법 각도 측정 방법 정리, 제동거리 실험 전체 설계안 작성

- 30401 김가윤 (준비물 선정, 실험 구상) 재질별 실험 물체 및 트랙 재료 목록 정리

- 31005 김유미(문헌 자료 조사) 각도 측정 오차 관련 자료, 슬로우모션 프레임 분석 방법 조사

3. 조사·탐구 진행 상황

경사면법은 스마트폰 수평계 앱 + 삼각비 계산(길이 측정 후 tanθ 역산)을 병행하면 정확도가 높아진다는 걸 확인함. 제동거리법은 초기속도를 슬로우모션 영상(120~240fps)으로 촬영해서 일정 구간을 지나는 프레임 수를 세어 v=거리/시간으로 계산하는 방식을 확정함. 참고 자료는 스마트폰 수평계 앱 관련 정보와 슬로우모션 프레임 분석 방법 관련 자료들을 찾아봄.

4. 막히는 부분 / 해결해야 할 과제

- 실제 트랙 바닥 재질에 따라 마찰 조건이 달라질 수 있어서 어디서 실험할지 장소 확정 필요

- 프레임 판독 시 사람마다 판단이 갈릴 수 있어서, 판독 기준(물체 앞쪽 끝 기준 등)을 팀원끼리 통일해야 함

5. 내일(목) 계획

- 경사면법 실험 먼저 진행해서 재질별 임계각 데이터 수집 (김가윤·김주희), 제동거리 실험용 경사로 낙하 트랙 시험 세팅 (김주희), 오늘 조사한 참고자료 정리해서 보고서 초안에 넣을 부분 정리(김가윤·김주희)

- 보고서 작성(김가윤·김주희·김유미)

RC 회로에서 저항값 변화에 따른 커패시터의 충전시간을 측정하는 탐구를 진행하기로 하였다. 저항을 독립변수, 커패시터 용량과 공급 전압을 통제변수로 설정하였다. 또한 충전 완료 시점을 명확하게 하기 위해 최종 측정 전압의 일정 비율(90~95%)에 도달한 시간을 충전시간으로 정의하여 분석하기로 하였다.

2. 역할 분담 현황

이경민: 실험 설계 및 데이터 분석 실험 방법 설계, 저항값 선정

서동일: 자료 조사, RC 회로와 커패시터 충전 원리 조사, 충전시간 기준 설정

공동: 보고서 작성, 탐구 배경 및 이론 정리

3. 조사,탐구 진행 상황

RC 회로에서 저항값을 변화시키며 커패시터의 충전 전압을 측정하는 실험을 진행하였다. 멀티미터와 동영상 촬영을 이용해 시간에 따른 전압 변화를 기록하였으며, 최종 측정 전압의 90~95%에 도달한 시간을 충전시간으로 정의하여 데이터를 분석하기로 하였다.

막히는 부분 또는 해결해야 할 과제

저항값이 증가할수록 최종 측정 전압이 조금씩 낮아지는 원인을 분석해야 한다. 또한 충전시간의 기준을 최종 측정 전압의 90%와 95% 중 어느 값으로 설정할지 결정하고, 실험 데이터를 정리하여 그래프를 작성해야 한다.

(목) 계획

촬영한 영상을 분석하여 각 저항에서 충전시간을 측정한다. 최종 측정 전압의 일정 비율을 기준으로 충전시간을 계산하고, 저항값과 충전시간의 관계를 그래프로 나타낸 뒤 결과와 오차 원인을 분석하여 보고서를 작성한다.

‘전류·전압과 옴의 법칙을 이용한 전해질 농도에 따른 다니엘 전지의 내부 저항 분석’을 주제로 탐구를 진행하기로 하였다. 전해질 농도가 증가하면 용액 속 이온의 이동이 활발해져 전류와 전력이 증가하고 내부 저항은 감소할 것이라는 가설을 세웠다. 이를 확인하기 위해 황산구리와 황산아연 용액의 농도를 달리하여 전압과 전류를 측정하고, 측정값을 이용해 전력과 내부 저항을 계산한 뒤 전해질 농도에 따른 전력 변화를 그래프로 분석하기로 논의하였다. 또한 실험의 신뢰성을 높이기 위해 전극의 크기, 용액의 양, 온도, 측정 시간 등의 조건을 일정하게 유지하기로 하였다.

2.역할 분담 현황

심현지 : 다니엘 전지의 원리와 전해질 농도에 따른 전기화학적 특성 조사, 실험 기구 및 전해질 용액 준비, 다니엘 전지 제작, 전압·전류 반복 측정, 실험 결과 정리 및 최종 보고서 작성

김민서 : 농도별 전해질 용액 제조, 실험 변인 통제, 전압·전류 측정, 실험 결과를 바탕으로 전력 계산 및 결과 표·그래프 작성

이채령 : 구리판과 아연판의 표면 상태 유지 및 다니엘 전지 제작, 전해질 농도 단계별 변경, 전압·전류 반복 측정, 실험 데이터 기록 및 측정값 확인

3. 조사·탐구 진행 상황

다니엘 전지의 작동 원리와 옴의 법칙을 조사하고, 전해질 농도 변화가 전류, 전력, 내부 저항에 미치는 영향을 학습하였다. 전해질 농도가 높을수록 용액 속 이온의 이동이 활발해져 내부 저항이 감소하고 전력은 증가할 것이라는 이론을 바탕으로 실험을 설계하였다. 이후 농도별 전해질 용액을 준비하여 다니엘 전지를 제작하고 각 조건에서 전압과 전류를 반복 측정하였다. 측정한 데이터를 이용해 전력과 내부 저항을 계산하고, 전해질 농도에 따른 전력 변화 그래프를 작성하여 경향을 분석하였다.

4. 막히는 부분 또는 해결해야 할 과제

실험 초기에 전류 센서를 이용한 측정값이 일정하지 않거나 정상적으로 측정되지 않는 문제가 발생하였다. 팀원들과 원인을 확인한 결과 센서 연결 상태와 측정 방식의 영향이 있을 가능성을 고려하여 해결 방안을 논의하였다. 이후 멀티미터를 이용해 전류를 직접 측정하는 방법으로 변경하였고, 보다 안정적이고 정확한 측정값을 얻을 수 있었다. 앞으로도 반복 측정을 실시하여 데이터의 신뢰성을 높이고, 계산 결과가 이론과 일치하는지 추가로 확인할 예정이다.

5. 내일(목) 계획

측정한 전압과 전류 데이터를 다시 검토하여 전력(P=VI)과 내부 저항을 계산하고, 전해질 농도에 따른 전력 변화를 그래프로 나타내어 경향을 분석할 예정이다. 또한 실험 결과를 이론과 비교하여 내부 저항 변화의 원인을 해석하고, 오차 원인을 보완한 뒤 최종 보고서를 완성할 계획이다.

지금까지 많은 부분에서 의견을 나누었지만 그중에서 가장 오래 걸렸던 논의로 배움너머 활동과 실험에 중요하게 필요한 랜딩기어 구조물을 제작하고 실험을 하기 위해 가벼운 테스트 실험을 진행했다. 그런데 그 결과 낙하 후 착지시 랜딩기어가 제대로 서있지 못하고 쓰러져 계란이 깨지는 문제가 반복적으로 일어났고 무게 중심을 재조정할 필요가 있음을 확인했다. 해결 방안으로 계란을 아래로 내리자, 나무 막대를 덧대자, 추를 달자 등 여러 의견이 나왔고 논의 결과 랜딩기어 바닥면에 추를 두개 추가하는게 가장 좋을 것 같아 이로 결정 했다. 이를 반영해 만드니 무게 중심을 잡고 착지 후에도 제대로 서있을 수 있었다.

2. 역할 분담 현황

- 30411 김태연(랜딩기어 제작, 랜딩기어 구조 설계): 랜딩기어 제작을 주도하고 그 바탕이 되는 구조를 설계하는 역할을 맡아 수행함.

- 30406 김서영(실험 구상, 보고서 작성): 만든 랜딩기어를 이용해 진행할 실험을 구상하고 계획서, 보고서 등을 작성함.

- 30510 민지홍(랜딩기어 외 필요 구조 제작, 자료 조사): 랜딩기어 외의 필요한 구조들을 제작하고 보고서 작성에 필요한 자료를 조사함.

3. 조사, 탐구 진행 상황

실험과 더불어 탐구의 이론을 조사해 다른 행성의 표면 특징과 스프링과 관련한 훅의 법칙에 대해 조사했다.(아래는 탐구 보고서 이론 부분의 일부 내용이다.)

- 행성 및 천체별 표면 환경

달:

빛을 제대로 반사하지 못해 어두운 부분인 바다부분과 밝은 대륙 부분으로 나뉜다. 바다부분은 달의 약 35%를 차지하며 대륙부분에 비해 상대적으로 구덩이의 수가 적고 현무암질의 용암이 흘러나와 구덩이를 매워져 생긴 것으로 알려져 있다. 바다부분 이외의 대륙부분은 작은 돌들이 모인 암석으로 구성되어있다. 달에는 대기가 거의 존재하지 않기 때문에 운석이 그대로 월면에 충돌하여 크레이터를 만들고 또한 물이나 바람에 의한 침식과 지각변동을 받는 일도 없기 때문에 수많은 크레이터가 만들어진 채 그대로 남아 있다. 이러한 대륙부분은 주로 칼슘과 알루미늄이 많이 함유되어 있는 사정석으로 이루어져 상대적으로 밝아 보인다. 또한 달의 표면은 모래(레골리스 regolith)로 덮여있다. 레골리스는 운석 등에 의해 잘게 부서진 돌이 쌓인 것을 말하며 달의 표면의 거의 전체를 수십cm에서 수십m의 두께로 덮고 있다. 레골리스의 약 절반이 산소로 구성되어있어 산소의 공급원이나 건축 재료로써 기대를 받고 있다.

한국천문연구원 - 천문우주지식정보 https://astro.kasi.re.kr/index

- 스프링 강성(훅의 법칙)

훅의 법칙에 따르면 평형 상태로부터 길이가 x만큼 변형된 용수철에는 방향은 반대이고 변형된 길이에 비례하는 힘이 작용한다는 법칙이다.

네이버 지식백과, ‘훅의 법칙’

https://m.terms.naver.com/entry.naver?docId=5741543&cid=60217&categoryId=60217

4. 막히는 부분 또는 해결해야 할 과제

- 흙에서 실험을 진행해야하는데 장마로인해 외부 실험이 힘들어져 대안이 필요함.

- 계란이 안부서져도 랜딩기어 구조가 부서지는 문제가 있어 해결이 필요함.

5. 내일(목) 계획

- 실험을 진행해 모은 데이터들을 조건별로 정리해 평균값을 도출한다. (김태연)

- 평균값을 바탕으로 높이에 따른 깨짐여부를 표로 정리해 상관관계를 파악하고 그래프로 나타낸다. (김태연, 김서영)

- 그래프를 바탕으로 실험을 해석 주제와 목적에 맞는 결론을 도출한다. (민지홍, 김태연, 김서영)

- 배움너머 활동 과정 중 넘어간 과정, 선생님의 조언을 바탕으로 아쉬운점을 생각하고 후속 연구 계획으로 연결한다. (민지홍)