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

30505 김민경

제출합니다.

엘레베이터 가속에 따른 인공가속도 변화가 단진자 운동의 주기에 미치는 영향

탐구 동기

물리학Ⅱ 수업에서 단진자 운동을 공부하며 진자의 주기가 줄의 길이와 중력가속도에 의해 결정된다는 사실을 알게 되었고, 특히 단진자 운동은 중력과 복원력에 의해 일정한 주기를 가지는 대표적인 단순 조화 운동이라는 점에서 흥미를 느꼈다. 나아가 실제 중력 환경이 변하거나 가속도가 작용하는 상황에서 단진자의 운동이 어떻게 달라지는지 탐구해보고자 이 주제를 선정하게 되었다. 또한 이번 탐구에서는 일정한 방향으로 작용할 때 발생하는 인공가속도가 단진자 운동에 어떠한 영향을 미치는지를 실험적으로 분석하고자 한다. 또한 물리학적 원리뿐만 아니라 미적분에서 배우는 함수와 변화율의 개념을 활용하여 인공가속도의 크기에 따른 단진자의 운동 변화를 수학적으로 해석해 보고자 한다.

팀원 및 역할

30416 심영찬(팀장)-탐구 계획 수립, 관련 문헌 조사 및 이론 조사, 실험 장치 설계 및 제작, 실험 재료 준비, 인공가속도 조건 설정 및 변수 통제, 실험 진행, 실험 영상 촬영, 실험 데이터 정리 및 그래프 작성, 이론값과 실험값 비교 및 오차 분석, 보고서 작성

30419 이재용-탐구 주제 선정, 관련 문헌 조사 및 이론 정리, 실험 장치 설계 및 제작, 인공가속도 조건 설정 및 변수 통제, 실험 영상 촬영, 미적분을 활용한 데이터 분석 및 해석, 탐구 결과 정리 및 결론 도출

탐구 방법 (예정)

1. 단진자 운동의 원리와 주기 공식, 인공중력의 개념을 조사하여 엘레베이터의 가속이 단진자의 주기에 미치는 영향을 이론적으로 예측한다.

2. 일정한 길이의 실과 추를 이용하여 단진자를 제작하고, 진폭을 작게 유지하여 단진자 운동이 단순조화운동에 가깝게 이루어지도록 한다.

3. 단진자를 엘레베이터 내부에 설치한 뒤, 정지 상태와 상승 또는 하강 시의 가속 및 감속 구간에서 각각 진자 운동을 촬영한다.

4. 촬영한 영상을 분석하여 각 조건에서 일정한 횟수의 진동 시간을 측정하고, 이를 이용해 평균 주기를 측정한다.

5. 각 조건에서 측정한 평균 주기를 비교하여 엘레비이터의 가속 방향과 크기에 따라 주기가 어떻게 변화하는지 분석한다.

6. 실험 결과를 단진자의 이론식과 비교하여 인공가속도의 변화가 주기에 미치는 영향을 해석하고, 이론값과 실험값 사이에 발생한 오차의 원인을 분석한다.

기대하는 결과

엘레베이터가 위쪽으로 가속할 때 인공중력이 증가하면서 단진자의 주기가 감소하고, 아래쪽으로 가속할 때는 인공가속도가 감소하여 단진자의 주기가 증가할 것으로 예상된다. 또한, 엘레베이터가 정지해 있는 상태에서는 일반적인 가속도에서의 주기와 거의 동일한 값을 나타낼 것으로 예상된다. 이를 통해 단진자의 주기가 중력가속도 뿐만 아니라 비관성계에서 형성되는 인공가속도에도 영향을 받는다는 사실을 실험적으로 확인할 수 있을 것으로 기대된다.

30416 심영찬

30419 이재용

배움너머 계획서 제출합니다.

배움너머 계획서 제출합니다.

박층 크로마토그래피를 이용하여 카페인과 아세틸살리실산을 효과적으로 분리할 수 있는 최적의 이동상 조건에 대해 논의하였다. 에탄올과 아세톤의 혼합 비율을 변화시키며 성분의 이동 거리와 분리 정도를 비교하는 방식을 탐구하기로 하였다. 또한 시료 점적량과 점적 횟수가 반점의 선명도와 분리 결과에 미치는 영향을 고려하여 동일한 조건을 유지하는 것이 중요하다는 의견을 공유하였다.

2.역할 분담 현황

30214 손정민/ 시료 제조 및 TLC 실험/ 카페인,아세틸살리실산 용액 제조, 혼합 시료 제조, TLC판 점적 및 전개, 이동상 조건 변화 결과 관찰, 실험 사진 촬영

3.조사,탐구 진행 상황

카페인과 아세틸살리실산 시료를 제조한 후 에탄올과 아세톤의 혼합 비율을 달리한 이동상을 이용하여 TLC 전개를 수행하였다. 이후 254 nm UV 램프를 이용해 반점을 확인하고 이동상 조건에 따른 분리 정도를 비교하였다. 에탄올만 사용한 조건에서는 반점이 비교적 선명하게 나타났으며, 에탄올과 아세톤을 혼합한 조건에서는 전개 시간이 단축되고 성분 간 분리 양상이 달라지는 것을 확인하였다.

4.막히는 부분 또는 해결해야 할 부분

예상했던 실험 결과랑 다르게 나타나 분석하는 데 어려움이 있었으며, 이동상 조건에 따라 반점의 분리 정도와 번짐 현상이 달라지는 원인을 보다 정확하게 분석해야 하는 어려움이 있다. 또한 각 이동상 조건에서 반점 중심을 기준으로 Rf값을 계산하여 비교하고, 가장 적합한 이동상 조건을 선정하는 과정이 남아 있다.

5.내일 계획

오늘 얻은 TLC 결과 사진을 정리하고 이동상 조건별 Rf값을 계산하여 비교 분석한다. 실험 결과를 바탕으로 이동상 조성에 따른 분리 효율을 해석하고, 실험 과정에서 발생한 오차와 개선 방안을 포함하여 최종 보고서를 작성할 예정이다.

1차 실험에서 단진자의 주기를 측정하기 위해 Tracker라는 프로그램을 사용하기로 했다. 그 이후 주기 측정을 위해 단진자 운동 유효 각도 이내인 5도에 맞게 운동 거리를 설정한 후 엘리베이터에서 측정 방식을 논의했다. 엘리베이터에서 측정할 때 변인을 정지 상태, 상승 상태, 하강 상태로 나눠서 총 2번씩 측정하기로 협의했다. 이후 측정 후 데이터 수집 방법으로 Tracker 프로그램을 사용하여 각 주기에 대응되는 지점에 표시하여 기록된 표시 순간의 시간차를 측정하여 주기를 구하는 방식으로 데이터를 수집하기로 했다. 그러나 수집한 데이터에서 각 변인간 차이점이 제대로 관찰되지 않았기에 이를 어떻게 해결해야할지 물리쌤과의 상담을 통해 논의하였다. 결론적으로 일부러 줄길이와 각도를 늘려 주기간 차이를 증폭시키는 방식으로 다시 측정하기로 협의했다. 이후 측정한 데이터에서 유의미한 값을 도출할 수 있었다.

-역할 분담 현황

30416 심영찬(팀장):

탐구 계획 수립 및 전체 일정 관리

관련 문헌 조사 및 이론 정리

실험 장치 설계·제작 및 재료 준비

실험 진행 및 영상 촬영

실험 데이터 정리, 그래프 작성

이론값과 실험값 비교 및 오차 분석

30419 이재용:

탐구 주제 선정 및 문헌 조사

실험 장치 설계·제작

인공가속도 조건 설정 및 변수 통제

실험 진행 및 영상 촬영

미적분을 활용한 데이터 분석 및 해석

탐구 결과 정리 및 결론 도출

-조사,탐구 진행 상황

1차 실험(줄 길이 105cm, 단진자 운동 거리 17.5cm) – 엘리베이터에서 총 6회

엘리베이터 정지 상황에서 2회, 엘리베이터가 올라가는 상황에서 2회, 엘리베이터가 내려가는 상황에서 2회

6회의 실험 분석과 자료 정리 완료

2차 실험(1차 실험과 동일 조건) – 엘리베이터에서 총 4회, 외부 2회

엘리베이터 밖에서 2회, 엘리베이터가 올라가는 상황에서 2회, 엘리베이터가 내려가는 상황에서 2회

6회의 실험 분석과 자료 정리 완료

3차 실험(줄 길이 35cm, 단진자 운동 거리 9cm) – 엘리베이터에서 총 3회

엘리베이터가 올라가는 상황에서 1회, 엘리베이터가 내려가는 상황에서 2회

실험 분석만 완료, 자료 정리 미완료

-막히는 부분 또는 해결해야할 과제

1~2차 실험에서 인공중력이 가해지는 상황과 가해지지 않는 상황에서의 차이점이 제대로 도출되지 않거나 매우 미묘하여 오차와 구분이 안가는 수준으로 결과가 산출되었다. 결국 3차 실험에서 차이점을 제대로 확인하기 위해 단진자 실험 장치의 쇠구슬과 연결된 줄을 기존보다 훨씬 작은 35cm로 변경하고 나서야 유의미한 결과를 산출할 수 있었다. 그러나 이는 단진자 운동의 유효 각도인 10도를 넘어가기에 이상적인 운동과 어느정도의 오차가 발생한다. 그렇기에 이상적인 결과와 실제 실험 환경에서의 이론적인 오차를 구해야하고, 3차 실험의 자료를 정리하여 정확한 해석을 해야한다.

-내일 계획

3차 실험 자료 정리 및 해석, 3차 실험 환경과 이상적인 단진자 운동 환경과의 이론적인 오차 구하기, 최종적으로 결과 보고서로 정리 및 작성하기

30505 김민경

최종 보고서 제출합니다.