계란 낙하 실험

실험 목표
빨대로 계란이 받는 충격을 최소화하는 구조를 만들어 5층에서 낙하시켰을 때 깨지지 않도록 한다

준비물
계란, 빨대, 테이프, 가위, 카메라

낙하체 디자인과 그 이유
계란을 보호하기 위해선 낙하시 가해지는 힘인 중력과 반대되는 힘인 공기 저항을 극대화 시킬 필요가 있었다. 때문에 공기 저항 계수가 가장 큰 도형인 정육면체로 낙하체를 디자인 했으며 공기와 계란 구조물이 접촉하는 면적을 넓히기 위하여 테이프로 면을 만들었다. 또한 뼈대를 튼튼하게 하기 위해 3개의 빨대를 겹쳐 하나의 모서리를 만들어 정육면체를 만들었다. 겉 뼈대를 다 만든 후 내부에 계란을 넣고, 양쪽 끝을 빨대를 이용해 고정시켜 낙하체를 완성하였다.

관련 이론
계란 구조물이 공기와 같은 유체 속에서 자유 낙하할때 계란 구조물에는 중력, 부력, 항력이 작용한다. 중력은 물체의 질량에 중력 가속도를 곱한 값으로 물체가 낙하하는 동안 일정하다. 부력은 어떤 물체에 의해서 배제된 부피만큼의 유체의 무게에 해당하는 힘으로, 항상 중력의 반대 방향으로 작용한다. 또한 물체가 유체 내에 정지해 있을 때와는 달리, 유체 속에서 운동
하는 경우에는 물체의 운동에 저항하는 힘인 항력이 발생하는데, 이 힘은 물체의 운동 방향과 반대로 작용한다. 항력은 유체 속에서 운동하는 물체의 속도가 커질수록 이에 상응하여 커진다. 항력은 마찰 항력과 압력 항력의 합이다. 마찰 항력은 유체의 점성 때문에 물체의 표면에 가해지는 항력으로, 유체의 점성이 크거나 물체의 표면적이 클수록 커진다. 압력 항력은 물체가 이동할 때 물체의 전후방에 생기는 압력 차에 의해 생기는 항력으로, 물체의 운동방향에서 바라본 물체의 단면적이 클수록 커진다. 계란이 낙하할 때 처음에는 중력 때문에 계란 구조물의 낙하속도가 점점 증가하지만, 이에 따라 항력도 커지게 되어 마침내 항력과 부력의 합이 중력의 크기와 같아지게 된다. 이때 물체의 가속도가 0이 되므로 계란 구조물의 속도는 일정해지는데, 이렇게 일정해진 속도를 종단 속도라 한다. 유체 속에서 상승하거나 지면과 수평으로 이동하는 물체의 경우에도 종단 속도가 나타나는 것은 이동 방향으로 작용하는 힘과 반대 방향으로 작용하는 힘의 평형에 의한 것이다. 또한 여러 가지 도형들 중 공기 저항 계수가 가장 큰 도형은 정육면체이다.

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결과 및 피드백
결론적으로 계란은 깨지지 않았다. 낙하 할 때 보니 생각보다 공기 저항이 커져서 다른 친구들의 낙하체에 비해 확실히 늦게 떨어지는 모습을 확인할 수 있었고, 뼈대를 튼튼히 만들었기에 낙하체 자체에도 조금의 파손이 가지 않았다. 딱히 아쉬운 점은 없었으나, 굳이 피드백을 하자면 구조를 만드는 과정에서 생각보다 많은 시간이 소비 되었다. 다른 친구들의 낙하체는 빠른 시간에 만들고도 계란이 깨지지 않았다. 물론 우리 낙하체라면 5층이 아닌 더 높은 층에서도 문제는 없겠지만 5층이라는 높이에 비해 조금 많은 투자를 하지 않았나 싶기도 하다.