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

빗물 순환형 수냉식 외벽을 활용한 제로 에너지 빌딩(ZEB)의 냉방 부하 절감 효과 분석

2.탐구동기

지난 탐구 활동을 통해 '효과적인 빗물 관리와 지속 가능한 도시 설계'를 주제로, 도시 내 투수성 확보 및 빗물 활용을 통한 환경 부하 저감 방안을 모색한 바 있다. 당시 빗물 관리(LID) 기술이 도시의 물 순환을 건강하게 회복시킨다는 점을 학습하면서 이 기법을 건축물의 시스템과 결합하면 더 좋은 지속 가능 모델을 만들수 있을거 같아서 선정했다

3.팀원 및 역할

30108 김준영(총괄)-문헌 조사,액셀 시뮬레이션,파이썬 프로그램

4.탐구방법

건축물 열 이동 모델 설정 및 물리적 분석,프로그래밍을 통한 에너지 부하 시뮬레이션,에너지 효율 검증 및 정량적 평가

5.기대하는 결과

빗물 순환형 수냉식 외벽 시스템을 도입하여 건물의 냉방 에너지 부하를 구조적으로 절감하고 이를 데이터 기반의 시뮬레이션으로 분석함으로써 기후 위기 시대에 도시의 수자원 순환과 건축 효율을 통합적으로 해결하는 지속 가능한 제로 에너지 빌딩(ZEB) 구현 가능성을 입증한다

2. 탐구 동기

- 휴대전화, 전기자동차, 전자기기에는 전기를 저장하고 방출하는 다양한 소자가 사용되는데 그중 전해질의 특성이 성능에 큰 영향을 미친다는 점이 흥미롭게 느껴졌습니다. 특히 전해질의 농도가 달라지면 전기가 흐르는 정도와 방전 속도가 어떻게 변하는지 궁금해졌습니다. 이에 상용 부품을 사용하는 단순한 이론 확인 실험에서 벗어나 직접 소금물 전해질 구조를 제작하여 농도에 따른 방전 특성을 비교하고 물리학II에서 배우는 RC 회로의 개념과 화학II의 전해질 평형 개념을 바탕으로 결과를 해석하고자 하였습니다. 또한 시간에 따른 전압 변화를 그래프로 나타내고 전압의 시간당 변화율을 분석하여 미적분 개념과 연결함으로써 하나의 현상을 물리·화학·수학의 관점에서 종합적으로 이해하고 공학적 통찰을 얻고자 이 주제를 선정하여 탐구를 시작하게 되었습니다.

3. 팀원 및 역할

이주훈: (실험 설계 및 화학 변인 분석 총괄)

- 탐구 주제 관련 선행 연구 및 전해질 관련 물리학·화학 이론 조사

- 화학II 교과 개념을 바탕으로 소금물 수용액 농도별(5%, 10%) 정밀 제조 및 통제 변인 관리

- 알루미늄 호일과 전해질 수용액을 활용한 간이 커패시터 셀 제작 및 실험 회로 구성 주도

여인우: (데이터 수집 및 수학·물리 모델링 총괄)

- 물리학II 키르히호프 전압 법칙을 적용하여 RC 회로 방전 미분방정식 수식 유도

- 방전 실험 진행 시 멀티미터(전압계)를 활용한 5초 단위의 실시간 전압 데이터 기록 및 수동 수집

- 모눈종이 그래프를 이용해 지수 감쇄 곡선의 시간상수(RC)를 직접 구하고 전기용량(C) 값을 계산하는 수학적 연산 총괄

4. 탐구 방법 (예정)

(1). 문헌 조사

- 물리학II 교과서의 축전기 전기용량 공식 및 키르히호프 법칙 기반의 RC 회로 방전 미분방정식 이론을 조사합니다. 특히, 방전 속도를 제어하는 고정 저항기(R)의 물리학적 역할을 정립합니다.

- 화학II 교과서의 전해질 용액 농도에 따른 이온화도 및 이온 가동성 개념을 학술 논문을 통해 분석하여 이론적 배경을 구성합니다.

활용 도구:물리학II, 화학II 교과서

(2). 실험·제작·시각화

제작: 알루미늄 호일 두 장 사이에 소금물 농도를 다르게 하여(5%, 10%) 적신 키친타월을 겹쳐, 화학적 변인 통제가 가능한 전해질 커패시터 셀을 직접 제작합니다.

실험:브레드보드에 건전지, 스위치, 과전류 및 급격한 전기분해를 방지하기 위한 고정 저항기, 제작한 간이 커패시터를 직렬로 연결해 RC 회로를 만듭니다. 완충 후 방전되는 과정에서 감소하는 전압을 멀티미터로 5초 단위로 정밀하게 기록합니다.

시각화:수집한 [시간-전압] 데이터를 모눈종이에 직접 수치별로 타점하여, 시간에 따른 전압의 감소 곡선 개형을 직접 그려 시각화합니다.

활용 도구: 알루미늄 호일, 소금, 브레드보드, 고정 저항기, 멀티미터, 초시계, 모눈종이

(3). 데이터 연산 (수학적 정량화)

- 물리학II 이론에 따르면 방전 시 전압이 초기 전압의 약 36.8%로 떨어지는 지점의 시간이 바로 시간상수가 됩니다.

- 찾아낸 시간상수 값에 우리가 미리 알고 있는 고정 저항 값을 대입하여, 소금물 농도별 커패시터의 전기용량을 공학용 계산기로 정밀하게 산출합니다.

활용 도구:공학용 계산기, 고교 미적분학 방전 수식

5. 기대하는 결과

(1). 화학-물리 인과관계 입증:휴대전화나 EV 배터리처럼, 소금물의 농도가 진해질수록 수용액 내부의 이온 밀도가 높아져 간이 축전기가 전하를 모으는 능력인 전기용량(C)이 정량적으로 증가할 것이다.

(2). 미적분 모델의 실효성 검증: 실제 실험 데이터를 모눈종이에 플로팅했을 때, 물리학II 이론으로 유도한 방전 공식처럼 완만한 지수 감쇄 곡선 개형이 그려짐을 눈으로 직접 확인하고 순간변화율(미분계수)의 성질을 체득할 것이다.

(3). 융합적 과학 통찰 획득: 자동화 프로그램 없이도 미적분학적 정의(시간상수의 정의)를 활용해 데이터 곡선에서 직접 물리적 상수를 찾아냄으로써 수학과 과학의 연계성을 깊이 이해하고, 전해질 농도가 전자기기 소자 효율에 미치는 영향에 대한 입체적인 통찰을 얻을 것으로 기대한다.

​소금물 농도에 따라 직접 만든 간이 축전지가 어떻게 방전되는지 실험하면서 생긴 문제와 해결 방법을 이야기했습니다. 처음에는 저항 없이 실험을 했더니 전기가 너무 순식간에 다 빠져나가서 초시계로 전압을 적을 수가 없었습니다. 그래서 물리II 시간에 배운 시간상수 개념을 생각해서, 전기가 천천히 흐르도록 300k옴 저항을 직렬로 연결했더니 전압이 천천히 떨어져서 실험에 성공했습니다.

2. 역할 분담 현황

여인우

맡은 역할: 회로 구성, 실시간 전압 측정 및 미적분,물리 공식 유도

오늘 한 일: 저항 없이 건전지를 직결했다가 찰나의 순간에 충·방전이 끝나 측정에 실패한 원인을 분석하고, 시간상수를 늘려 전압을 천천히 떨어뜨리기 위해 회로에 300k옴 저항을 직렬로 연결하는 아이디어를 내어 회로를 수정함.

수정한 회로에서 멀티미터를 활용해 5초 단위로 떨어지는 전압 수치를 눈으로 보며 모눈종이에 데이터 점을 찍고 지수 감쇄 곡선 그래프를 그림.

방전 방정식(V(t) = {Vo}×{e^-t/RC})의 t 자리에 시간상수(RC)를 대입하면 1/e배, 즉 초기 전압의 약 36.8%가 되는 순간의 시간이 곧바로 시간상수가 된다는 수학적 유도 과정을 정리함.

이주훈

맡은 역할: 축전지 셀 제작, 전해질(소금물) 조건 통제, 화학적 원리 분석

오늘 한 일: 처음에 5cm×5cm 크기로 만들었다가 데이터 수집 시간을 늘리기 위해 호일 크기를 10cm×10cm로 재단하고, 두 호일이 마주 보며 합선(쇼트)되지 않도록 키친타월을 13cm×13cm로 넉넉하게 잘라 샌드위치 구조를 완성함.

농도가 진할수록 수용액 속 이온 밀도가 높아져서 표면에 전기이중층(EDLC)을 더 잘 형성하고 전기용량(C)이 커진다는 화학적 원리를 조사하여 정리함.

3. 조사·탐구 진행 상황

저항이 없을 때는 시간상수가 0에 가까이 수렴해 측정이 불가능하지만, 300k옴 저항을 연결하면 전기가 빠져나가는 길목이 좁아져 사람이 기록할 수 있는 초 단위의 지수 감쇄 곡선이 나타남을 실험으로 증명했다.

모눈종이 그래프에서 전압이 36.8%가 되는 지점의 시간을 읽는 행위가 곧바로 시간상수를 뜻함을 파악했고, 이를 통해 소금물 축전지의 실제 전기용량을 정량적 숫자로 도출했다.

4. 막히는 부분 또는 해결해야 할 과제

손으로 모눈종이에 곡선을 그리다 보니, 전압이 정확히 36.8%가 되는 순간의 가로축(시간) 눈금을 읽을 때 시각적인 미세 오차가 발생할 수 있어서 눈금의 오차 범위를 줄이기 위해 앞뒤 데이터 사이의 평균값을 보간하는 방법을 고민해봐야 한다.

계산이 완료된 5% 소금물과 10% 소금물의 최종 전기용량(C) 수치를 나란히 비교하여, 화학적 농도가 물리적 상수인 C값을 실제로 얼마나 증가시켰는지 최종 도표로 시각화해야 한다

5. 내일(목) 계획

소금물 농도 차이가 이온 밀도 및 전기용량에 미치는 화학적 메커니즘을 화학II 이론과 연결하여 줄글로 정리하기

오늘 기록한 5초 단위 전압 데이터를 바탕으로 모눈종이 그래프를 최종 완성하고, 시간상수 및 실제 C값 수치 연산 끝내기

각자 정리한 물리·화학·수학적 파트를 합쳐 하나의 융합 탐구 보고서 초안으로 병합하기

이번 탐구에서는 커피찌꺼기의 혼합 비율에 따라 무순의 생장에 차이가 나타나는 원인을 중심으로 탐구 내용을 정리하였다. 특히 40% 혼합 비율에서 20%보다 생장률이 높게 나타난 이유와, 60% 및 80%에서 생장이 크게 감소한 원인에 대해 선행연구와 비교하며 분석하였다. 또한 실험 결과를 바탕으로 커피찌꺼기를 토양 개량재로 활용하기 위한 적정 혼합 비율과 탐구의 한계점 및 후속 연구 방향을 정리하였다.

2.역할 분담 현황 팀원 이름 맡은 역할/오늘 한 일

전지현 문헌 조사, 실험 결과 정리 및 분석

3.조사, 탐구 진행 상황 현재까지 파악한 내용 요약, 참고 한 자료 링크

현재까지 커피찌꺼기 혼합 비율(0%, 20%, 40%, 60%, 80%)에 따른 무순의 생장 데이터를 모두 정리하고 비교·분석하였다. 실험 결과 0% 처리군의 생장률이 가장 높았으며, 40% 처리군은 20% 처리군보다 높은 생장률을 보였고, 60%와 80% 처리군에서는 생장이 저조하게 나타났다.

4.막히는 부분 또는 해결해야 할 과제 아직 답을 못 찾은 것, 내일 해야 할 것

40% 처리군의 생장률이 20% 처리군보다 높게 나타난 원인을 실험 결과만으로 명확하게 설명하기 어렵다. 선행연구를 추가로 조사하여 토양의 pH, 양분 함량, 수분 보유력 등 다양한 요인이 결과에 미친 영향을 분석하고, 보고서를 쓰고, 한계점을 보완할 예정이다.

5.내일(목) 계획 보고서 작성을 위해 오늘 밤~내일 각자 할 일

실험 결과와 선행연구를 종합하여 최종 결론을 정리하고, 탐구의 한계점 및 후속 탐구 방향을 작성한다. 또한 보고서 전체 내용을 검토하여 문장을 수정하고 참고문헌을 정리한 뒤 최종본을 완성할 예정이다.

커피찌꺼기 첨가 비율에 따른 식물 생장 변화

2.탐구 동기
이전 탐구에서 커피찌꺼기를 비료로 활용한 식물 생장 실험을 진행하였으나, 일반 배양토보다 생장률이 낮게 나타나 예상과 다른 결과를 얻었다. 이를 통해 커피찌꺼기의 첨가 여부뿐만 아니라 혼합 비율이 식물 생장에 중요한 영향을 미칠 수 있다는 점에 관심을 갖게 되었으며, 적절한 활용 비율을 확인하기 위해 이번 탐구를 계획하였다.

3.팀원 및 역할

30722 전지현- 탐구 계획 수립, 문헌 조사, 실험 설계 및 수행, 생장 측정, 결과 분석, 보고서 작성

4.탐구 방법 (예정)
커피찌꺼기와 일반 배양토를 0%, 20%, 40%, 60%, 80%의 비율로 혼합한 토양을 제작하여 무순을 재배한다. 모든 화분의 토양 총량, 씨앗의 개수, 물의 공급량, 햇빛 등 생장 조건을 동일하게 유지하면서 일정 기간 동안 무순의 생장 길이를 측정하고 기록한다. 이후 혼합 비율에 따른 생장 차이를 비교하고, 관련 문헌과 비교하여 결과를 분석한다.

5.기대하는 결과
커피찌꺼기의 혼합 비율에 따라 식물의 생장에 차이가 나타날 것으로 예상하며, 생장에 가장 적합한 혼합 비율을 확인하고자 한다. 또한 커피찌꺼기의 친환경 토양 개량재 및 유기성 폐기물 자원화 가능성을 과학적으로 평가하는 기초 자료를 얻고자 한다.