d라이브러리

짝짝짝! 어린이과학동아가 10월에 18번째 생일을 맞이했어요. 어과동 편집부와 섭섭박사님은 축하파티를 열기로 했지요. 파티를 장식할 풍선을 열심히 불던 섭섭박사님. 갑자기 재밌는 걸 만들고 싶다며 풍선을 크게 불기 시작했어요. 박사님, 도대체 어떤 걸 만들려고 그러세요?

도전
실험

날아라! 풍선 2단 로켓

섭섭박사님은 파티용 풍선으로 2단 로켓을 만든 뒤 멀리멀리 날려보자고 말했어요. 풍선으로 2단 로켓? 과연 어떻게 만들까요?

왜 
이런 일이?

>;결과 : 풍선이 2단으로 분리되며 실을 따라 날아간다.
처음에는 노란색 풍선에서 바람이 빠지며 날아가다가 바람이 다 빠지면, 초록색 풍선에서 바람이 빠지며 앞으로 나아가요. 이처럼 바람이 빠지면서 풍선이 로켓처럼 날아가는 건 ‘작용 반작용의 원리’ 덕분이에요. 이는 어떤 물체가 다른 물체에 힘을 가하면 힘을 받은 물체도 힘을 가한 물체에 같은 크기의 힘을 반대 방향으로 가한다는 원리죠. 풍선 로켓에서 공기가 뒤로 뿜어져 나오면, 풍선은 작용 반작용의 원리에 의해 앞으로 나아가려는 힘이 생겨 쭉 날아갑니다.

풍선을 한 개만 썼을 때와 이번 실험을 비교하면, 2단 풍선 로켓이 더 멀리 날아가는 것을 알 수 있을 거예요. 이는 첫 번째 풍선이 먼저 공기를 다 뿜어낸 다음부터 두 번째 풍선이 공기를 분사해 더욱 오랫동안 추진력을 얻을 수 있기 때문이랍니다.

한걸음 
더!

왜 로켓은 여러 단으로 만들까?

8월 5일 우리나라의 달 탐사선 다누리는 2단 로켓인 팰컨9을 타고 날아갔습니다. 로켓은 왜 이렇게 여러 단으로 만들까요?

1448년 세종대왕의 지시로 장영실을 포함한 조선의 과학자들은 화포 제작법과 화약 사용법이 정리된 ‘총통등록’을 편찬합니다. 이 책에는 한 번에 여러 발을 장착할 수 있는 우리나라 최초의 로켓 화포, ‘신기전’도 있었죠. 신기전은 크게 4가지로 분류할 수 있는데, 이중 ‘산화신기전’은 세계 최초의 2단 로켓입니다. 미국 현지시간 9월 3일 케네디 우주센터에서 발사 예정이었던 아르테미스 1호의 로켓 ‘우주 발사 시스템’(SLS, Space Launch System) 역시 2단 로켓입니다. 한편, 50여 년 전 아폴로 11호를 달로 보낸 미국의 새턴V 로켓은 3단 로켓입니다.

그렇다면 왜 로켓을 여러 단으로 만들어 쏘는 걸까요? 거대한 로켓이 지구의 중력을 이기고 날아오르기 위해선 많은 양의 연료를 태워야 합니다. 따라서 큰 연료탱크가 필요하지요. 하지만 로켓이 우주 공간으로 나간 뒤에는 더 이상 큰 연료탱크가 필요 없습니다. 실제로 로켓 공학의 아버지라 불리는 러시아의 공학자 콘스탄틴 치올콥스키는 로켓의 속도는 처음 로켓의 질량이 클수록, 연료 분사 후에는 로켓의 최종 질량이 작을수록 빨라진다는 사실을 밝혔습니다. 로켓을 분리해 최종 질량을 작게 할수록 빠른 속도를 얻는데 유리한 거죠. 그래서 로켓을 크게 일체형으로 만들기보다 소형으로 여러 단 만들어, 다 쓴 연료탱크는 분리해 질량을 줄이면 속도를 더 빠르게 할 수 있는 거죠.

도전! 섭섭박사
실험왕!

이희경
양초가 춤추듯 움직여서 신기했어요!

실험 
하나 더!

크기가 다른 두 풍선을 연결하면 무슨 일이 일어날까?

로켓을 날리고 남은 풍선으로 섭섭박사님이 재밌는 실험을 하나 더 보여준다고 하셨어요. 다른 크기로 분 두 개의 풍선을 연결하면 어떤 일이 벌어질까요?

왜 
이런 일이?

>; 결과 : 작은 풍선은 더 작아지고, 큰 풍선은 더 커진다.
이 실험은 ‘두 풍선 실험’이라고 해요. 작은 풍선의 내부 압력은 큰 풍선보다 높아요. 그래서 작은 풍선의 공기가 큰 풍선으로 이동해 큰 풍선은 더욱 커지고, 작은 풍선은 작아집니다.

1978년 미국의 물리학자 데이비드 메리트는 두 풍선 실험의 원리를 탄성력으로 설명했어요. 풍선을 불 때 우리는 있는 힘껏 숨을 불어넣어요. 이는 풍선 고무의 탄성력을 이겨 내야 비로소 풍선이 부풀기 때문이죠. 그런데 풍선을 불 때 풍선이 어느 정도 커지기 전까진 힘이 더 많이 들지만, 이후에는 수월하게 불 수 있다는 걸 느낄 수 있습니다. 이는 풍선의 크기가 클수록 풍선의 두께는 얇아져 탄성력이 작아지고, 반대로 풍선의 크기가 작을수록 풍선의 두께는 두꺼워서 탄성력이 커지기 때문입니다. 그래서 풍선의 크기가 작을 땐 풍선의 탄성력이 더 커서 작은 풍선의 내부 압력이 큰 풍선의 내부 압력보다 높은 거랍니다.