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과학 임시 자료

공중부양 종이컵(Tensegrity) 만들기

by 민서아빠(과학사랑) 2020. 7. 26.

집에 있는 간단한 도구로  Tensegrity 를 만들어 보자.

 

Tensegrity 란 장력과 인장력을 이용해서 튼튼하게 만드는 구조물을 말해.

 

기둥을 써서 만들면 튼튼한 구조물을 만들 수 있지만, 무게가 무겁고, 기둥이 한가운데 들어서서 활동할 수 있는 공간도 줄어 들게 되지.  Tensegrity는 기둥대신 줄의 장력과 인장력을 이용해 구조물을 만들기 때문에 가벼우면서도 튼튼한 구조물을 만들 수 있단다.

 

너희들이 쉽게 구할 수 있는 종이컵과 실을 가지고 Tensegrity 구조물을 만들 예정이야.

완성하고 나면 실만으로 튼튼한 구조물을 만드는 재미있는 경험을 하게 될거야.

 

 

만드는 방법에 대해 아래 자세하게 설명 해 놓았어. 어려우면 아래  동영상도 참고해서 만들어 보렴

 

 

<제작 방법>

 

1. 준비물 : 종이컵 2개, 실, 송곳, 칼, 가위, (필요에 따라 실대신 양파망과 같은 가는실)

 

 

2. 제작방법 :


가. 종이컵 테두리에서 1cm 이상 위쪽을 테두리를 따라 칼과 가위로 자른다. 다 자르면 안되고 접합부분은 남겨놓아야 해.  이때 접합부분은 반드시 종이컵 밑바닥에 두꺼운 부분의 일부가 포함되도록 잘라야 해. 
(접합부위가 다른 부분보다 튼튼 하기 때문에 나중에 실의 장력을 버티는데 중요한 역할을 한단다. 종이컵 밑면에 튼튼한 부분도 남겨 놓아야 해. 그래야 그곳을 실로 서로 연결할 수 있어.) - 잘 이해가 안되면 위 동영상 참고하도록


나. 같은 방법으로 1개 더 만들어 종이컵 2개를 준비한다.

 

 

다. 종이컵 바닥에 가상의 정삼각형을 그리고 꼭지점이 되는 부분에 표시를 한 후 송곳으로 구멍을 뚫는다.


라. 종이컵이 대칭이 되도록 마주 보게 한 후 다른 한개의 종이컵도 마주 보는 위치에 3개의 구멍을 뚫는다 (이때 잘라내지 않은 부분이 서로 반대쪽에 있어야 한단다. 아래 그림 참고해, 가끔 잘라내지 않은 부분을 일치시키고 자르는 학생들이 있어. 그럼 안돼)

 

  3군데 구멍을 뚫었으면 이제 남겨 놓은 종이컵 접합부분 맨끝 바닥면 부분을 송곳으로 구멍을 뚫고  서로 2.5-3cm 간격이 되도록 실로 단단히 고정한다.

 

  (만약 실의 길이가 변하게 되면 전체 구조물 실의 길이를 다시 조절해야 하기 때문에 풀리지 않도록 단단하게 묶어 고정하도록)

 

 

마. 아래쪽 종이컵(2개의 종이컵 중에 마음에드는 것 하나) 3곳 구멍에 실을 단단하게 고정한다. (실의 길이 조절은 위쪽 종이컵에서 할 거야. 따라서 아래쪽 종이컵에는 3개의 실이 풀리지 않게 단단하게 묶어 놓아야 해.)


바. 위쪽 종이컵을 잡고 구조물을 적당하게 세운 후 위 종이컵 구멍에 실을 느슨하게 한번만 묶는다. (구조물이 안정될때 까지 실의 길이를 조절할 예정이야. 따라서 꽉 묶어 놓으면 곤란해.)


사. 구조물이 잘 설 수 있도록 위쪽 종이컵에 묶은 실의 길이를 돌아가면서 적당히 조절한다.
( 위쪽 실은 계속 조절해야 하므로, 처음에는 한번만 묶어서 느슨하게 해 두고, 필요할 때 조금씩 실의 길이를 조절해 보자.)

 

 

아. 구조물이 안정되게 서도록 실의 길이 조절하고

    조절이 끝나면 실을 단단하게 묶어. 그리고 필요없는 여분의 실들을 잘라내고 마무리 하면 끝.

 

자. 공중부양 종이컵(Tensegrity)을 완성했다.

 

<추가사항>

 

1. 종이컵이 공중에 떠 있는 것처럼 만들기


종이컵 구조물이 완성되면, 묶어 놓은 실을 얇은 실로 1개씩 교체해 보도록 해. 양파망이나 스타킹을 풀어 헤치면 얇은 실을 얻을 수 있어. 또는 눈에 잘 안보이는 얇은 투명 낙시줄이나 실을 이용해도 되.


처음부터 얇은 실을 사용하지 않는 이유는 얇은 실은 생각처럼 매듭짓기가 쉽지 않기 때문이야. 안정된 구조물을 만들고 하나씩 얇은 실로 교체해 나가는 것이 만들기가 쉽거든.


눈에 잘 안보이는 얇은 실은 매듭짓기가 쉽지 않을 수 있어. 이런경우에는 스카치테이프를 이용해 붙이면 더 편해. 가는실로 잘 교체하면 종이컵이 공중부양 하는 것처럼 보인단다.

 

 

 

2. 내가 만든 종이컵 Tensegrity 는 얼마나 튼튼할까?


종이컵 Tensegrity 구조물을 잘 만들었다면 위에 가벼운 물체를 올려 놓아도 무너지지 않고 버틸 수 있어.

얇은 종이나 가벼운 책을 올려 보면서 어느정도 까지 버티는지 확인해 보자. 최대한 많이 버티는 모습을 사진으로 찍어서 자랑도 하고 보관도 해 보면 어떨까?

 

3. 종이컵 구조물 반복해서 세우기 시합


종이컵 구조물을 무너지게 했다 다시 세우기 시합, 누가 더 빨리 10번 무너지게 했다가 다시 세울 수 있는지 시합해 보자. - 무너지거나 세웠을 때는 종이컵을 만지고 있던 두손을 박수를 치고 진행해야 한다. 그래야만 횟수로 인정한다. 박수를 치는 동안 구조물이 무너지거나 하면 횟수로 인정하지 않는다.

몇초내에 10번을 넘어 뜨렸다가 다시 세울 수 있을까? 한번 도전해 봐.

 

4. 주변에 있는 다른 재료들을 이용해서도 만들어 보면 어떨까?

 

<과학적 원리>

 

힘의 합력이 평형을 이루도록 만드는게 중요하고, 누를수록 인장력이 커져서 버티게 하는 게 중요하다.

과학적 원리에 대한 이론적 내용은 아래 출처에서 옮겨온 내용이 많다.

출처 : https://samsungblueprint.tistory.com/969

 

텐서그리티(Tensegrity)는 인장(Tension)과 구조적 안정(Structure Integrity) 의 합성어로 긴장상태의 안정구조를 말한다. 통뼈인 구조체와 이 구조체에 달린 케이블이 서로 밀고 당기며 구조체를 안정하게 유지시켜 준다.

힘의 합력과 평형을 잘 유지하게 하는게 관건이다.

 

 

구조체는 누르는 힘인 압축력을 받고 케이블은 당기는 힘인 인장력을 받게 되는데, 이 두 힘이 한쪽으로 기울지 않고 평형을 이두게 되는 것이다. 그래서 무너지지 않고 튼튼하게 서 있을 수 있게 되는 것이다.

 

 

그리고 텐서그리티 구조를 보면 속이 꽉 찬 대부분의 구조에 비해 기둥이나 재료의 수를 줄일 수 있게 되면서 가볍고 튼튼한 구조물을 만들 수 있게 되는 것이다. 하지만 가볍다고 해서 절대 약하지 않다. 텐서크리트 구조는 가볍지만 굉장히 튼튼하고 안정된 구조를 이루게 된다. 그리고 비용면에서도 경제적인 구조라 할 수 있다.


실생활에도 많이 적용되어 사용하고 있다. 등산가들이 짊어지고 다녀야 하는 텐트는 되도록 가벼워야 한다. 그렇다고 구조가 약하면 안된다 비바람이 불어도 버틸 수 있도록 튼튼해야 한다. 이럴 때 텐서그리티 구조가 사용된다. 또 무거운 자전거를 가볍고 튼튼하게 만들수도 있다.

 

 

우리도 실생활에 어디에 사용하면 좋을 지 생각해 보고, 다른 텐서그리티 구조도 찾아 보자.

 

 



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