d라이브러리

팽이는 쉽게 구할 수 있는 놀이 기구 중 하나입니다. 구조적으로 불안정해 한쪽으로 쓰러져 있는 팽이에 힘을 가해 돌려 주면 기세 좋게 회전합니다. 편평한 바닥에서만 돌리던 팽이를 바늘 위에서도 돌릴 수 있는 방법이 여기 있습니다.

준비물：지구팽이, 바늘, 바늘을 세울 수 있는 지지대(코르크 마개나 당근 조각 등)

실험방법
① 지지대 위에 바늘을 세운다.
② 지구팽이의 축에 실을 감아 당겨서 팽이를 회전시킨다.
③ 팽이를 바늘 위에 살짝 올려 놓는다.
④ 회전축을 변화시키면서 돌려본다.
바늘 위에 돌고 있는 팽이를 바로 세우면 바로 세운대로 돌고, 축을 기울여 올려 놓으면 기울어진 채로 돕니다. 이 때 팽이의 속력이 빠르면 빠를수록 팽이가 더 오래 돕니다. 이렇게 회전하는 물체가 쓰러지지 않고 안정돼 있는 것은 팽이가 도는 회전축이 움직이지 않으려 하는 관성 때문입니다.
팽이의 원판은 늘 회전축과 수직을 이루며 돕니다. 이 원판을 작게 나눈 부분 부분이 계속 회전 상태를 유지하려는 성질 때문에 웬만한 충격에도 불구하고 회전축이 제 방향을 유지하는 것입니다. 이러한 경향은 팽이가 무거울록, 회전속도가 빠를수록 커집니다.
 

보너스 실험

줄타는 팽이

너무 가늘지 않은 실을 준비해서 실의 한쪽 끝을 고정시킵니다. 다른 쪽 끝을 손으로 잡아당겨서 수평이 되도록 팽팽하게 만들어 줍니다.
앞의 실험과 같은 방법으로 팽이를 회전시켜 실 위에 올려 놓습니다. 팽이는 줄타는 광대가 됩니다. 이 줄타는 광대의 곡예를 얼마나 멋지게 연출하느냐는 여러분들의 솜씨에 달려 있지요.
실의 끝을 여러 방면으로 움직여서 실험해 봅시다. 이 때에도 팽이의 회전속도는 빠를수록 좋습니다.
 

음반 자이로스코프

오래된 축음기 음반과 노끈, 성냥을 준비합니다. 음반 구멍으로 노끈을 꿴 뒤, 성냥을 매어 한쪽 끝을 들더라도 빠지지 않게 합니다.
음반의 수평을 유지하면서 돌려봅시다. 그 후 진자처럼 앞뒤로 흔들어 봅니다. 옆으로 쓰러뜨리려고 해도, 쓰러뜨리는 것이 어려울 것입니다. 이제 음반을 비틀어서 앞뒤로 흔들어 봅니다. 음반은 여전히 평평하게 혹은 똑같은 면을 유지하면서 흔들릴 것입니다.

음반의 운동을 자세히 이해하기 위해서는 각 운동량이라는 물리량을 수학적으로 증명해야 하지만, 이러한 음반의 운동도 일종의 관성입니다.
음반의 운동을 간단하게 이해하기 위해서, 음반이 무수히 작은 부분 부분으로 이루어졌다고 생각합시다. 각 부분들은 회전축에 수직인 평면내에서 원을 그리며 운동합니다. 그리고 그 부분들은 매 순간마다 원의 접선 방향으로 원으로부터 떨어지려고 합니다.

돌리던 물체를 놓으면 놓는 순간의 원의 접선 방향으로 물체가 날아가는 것을 통해서 이것을 증명할 수 있습니다. 어느 접선이나 원주와 같은 평면에 있으므로 모든 회전하는 물체는 외부에서 힘을 가하지 않는 한 처음과 같은 평면 각도를 유지하려는 성질이 있습니다.

회전체의 이러한 성질을 이용한 것이 비행기나 로켓을 인도하는 자이로스코프입니다. 이 자이로스코프는 이 밖에도 나침반에 응용한 자이로 컴퍼스, 선박의 안정장치로서의 자이로 안정기 등에 널리 이용되고 있습니다.