배경

이 물리 과학 단원에서 학생들은 물체가 어떻게 움직이는지 탐구하고 물체에 작용하는 힘도 조사합니다. 운동과 힘은 물리과학의 핵심 개념입니다. 우주에 있는 모든 물체는 끊임없이 움직이고 있으며, 중력과 같은 균형 잡힌 힘과 불균형한 힘의 영향을 받습니다.

물체에 작용하는 불균형적인 힘은 물체의 속도 및/또는 운동 방향을 변화시킵니다. 힘이 균형을 이루면 물체는 가만히 있을 것이다. 물체에 작용하는 힘이 불균형하면 물체는 움직일 것입니다. 이 단원에서 학생들은 슈퍼카에 작용하는 균형력과 불균형력을 실험합니다.

힘이란 무엇인가?

힘은 물체를 밀거나 당기는 힘입니다. 물체에 힘이 가해지고, 그 힘에 반대되는 힘이 없다면, 물체의 운동은 변합니다. 균형 잡힌 힘도 있고, 불균형한 힘도 있습니다. 방향이 반대이지만 크기는 같은 힘을 균형력이라고 합니다. 균형된 힘은 물체를 움직이게 하지 않습니다.

균형 잡힌 힘의 예로는 두 집단이 같은 양의 힘으로 줄다리기를 하는 것을 들 수 있습니다. 이렇게 하면 양쪽에 가해지는 반대되는 힘이 동일하기 때문에 로프가 제자리에 고정됩니다. 그러나 불균형한 힘은 물체를 움직이게 합니다.

양쪽이 같은 힘으로 당겨지면 로프는 움직이지 않고, 당기는 사람도 움직이지 않습니다. 그러나 한쪽의 당기는 힘이 더 크면 로프도 움직이고 반대쪽에 있는 사람들도 움직이게 됩니다.

중력 또는 중력 인력입니다. 지구에서 중력은 지구가 우리에게 가하는 힘으로, 우리를 끌어당기고 땅에 머물게 합니다. 이 힘은 우리의 체중, 플라이볼의 높이, 그리고 지구상의 다른 물리적 힘을 결정합니다.

 

이 단원에서 학생들은 비동력 슈퍼카를 경사로 위에 올려놓아 균형 중력과 불균형 중력에 대해 실험합니다.

5번째 랩에서 학생들은 VEXcode GO를 사용하여 Code Super Car의 속도 설정을 변경하는 과정을 통해 속도에 대해 배웁니다. 속도는 물체가 얼마나 빨리, 그리고 어떤 방향으로 움직이는지를 측정하는 기준입니다. 학생들이 코드 슈퍼카의 속도를 줄이면 코드 슈퍼카가 가진 힘의 양이 감소합니다. 균형 잡힌 힘은 코드 슈퍼카의 속도를 일정하게 유지하게 합니다. 불균형한 힘으로 인해 코드 슈퍼카가 가속되거나 감속됩니다.

모션이란 무엇인가?

동작은 움직임이다. 이러한 운동은 물체가 얼마나 멀리 이동하는지, 얼마나 빨리 움직이는지, 그리고 움직이는 방향을 관찰하고 측정함으로써 분석될 수 있습니다. 더 정확히 말하면, 운동은 뉴턴의 세 가지 법칙을 사용하여 설명될 수 있습니다.

뉴턴의 제1운동법칙

뉴턴의 제1 운동 법칙: 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고, 운동하고 있는 물체는 계속 운동한다.불균형한 힘이나 외부 힘이 작용하지 않는 한 말이다.

물체가 정지해 있을 때, 학생들은 물체가 왜 정지해 있는지 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 그러나 물체가 움직이다가 점차 속도가 느려지거나 마찰이나 중력 등의 힘으로 인해 갑자기 멈추는 경우, 이러한 개념을 쉽게 이해하기 어려운 경우가 많습니다. 그러므로 개념화하기가 더 어렵습니다. 정지해 있는 물체는 종종 그 물체에 힘이 균형을 이루고 있기 때문에 발생합니다. 물체가 움직일 때는 불균형한 힘이나 외부의 힘이 작용할 때까지 계속 움직입니다. 예를 들어, 언덕 아래로 공을 굴리면 공은 무언가에 부딪히거나 평평한 표면에 닿아 마찰 및/또는 중력으로 인해 속도가 느려질 때까지 계속 굴러갑니다.

뉴턴의 제2 운동 법칙

뉴턴의 제 운동 법칙: 물체의 가속도는 물체의 질량과 물체에 작용하는 힘에 따라 달라진다고 명시합니다.. 이 법칙은 힘은 질량에 가속도를 곱한 값과 같다고 정의합니다. (즉 F = m*a).

물체에 가해지는 힘이 클수록 물체는 더 큰 영향을 받습니다. 고려해야 할 조건이 많습니다. 예를 들어, 그 물건은 얼마나 무겁거나 큰가요? 물체가 무거울수록, 클수록 그것을 옮기는 데 필요한 힘도 커집니다.

뉴턴의 제3운동법칙

뉴턴의 제3운동법칙: 모든 작용에 대하여 같고 방향이 반대인 반작용이 있다고 명시합니다 즉, 물체 1이 물체 2에 힘을 가하면, 물체 2도 물체 1에 동일한 힘을 가합니다.

의자에 앉아 있는 것을 생각해 보세요. 앉아 있는 힘은 위쪽으로 작용하는 힘으로 반대되어야 합니다. 그렇지 않으면 의자가 무너질 것입니다. 균형 잡힌 힘과 불균형한 힘의 관점에서, 힘이 균형을 이루면 물체는 움직이지 않고 정지해 있습니다. 예를 들어, 팔을 벽에 대고 있다고 생각해 보세요. 정지 상태를 유지하기 위해서는 팔의 힘과 벽의 힘이 균형을 이루어야 합니다. 힘은 불균형할 수도 있다. 힘의 균형이 깨지면 물체가 움직입니다. 이는 한 힘이 다른 힘보다 더 크기 때문입니다.

기어란 무엇인가?

기어는 가장자리에 톱니가 있는 바퀴로, 힘을 한 위치에서 다른 위치로 전달하는 데 사용됩니다. 기어는 가장자리에 톱니가 있는 바퀴로, 힘을 한 위치에서 다른 위치로 전달하는 데 사용됩니다. 동일한 힘을 전달하기 위해 동일한 크기의 기어를 사용하거나, 힘이 전달될 때 속도나 출력 면에서 이점을 만들기 위해 크기가 다른 기어를 사용할 수 있습니다.

기어가 만들어낼 수 있는 기계적 이점에는 두 가지 유형이 있습니다. 기계적 이점 간단한 기계(이 경우 기어)를 사용하여 가해지는 힘의 방향을 증가시키거나 변경함으로써 동일한 양의 작업을 수행하는 데 필요한 힘이 줄어드는 경우입니다. 기계적 이점은 특정 요구 사항을 충족하도록 조정될 수 있습니다. 같은 크기의 기어 두 개를 맞물리게 하면 1:1 비율로 동력이 전달됩니다. 기계적 이점의 다른 두 가지 유형은 속도와 토크입니다.

기어가 움직이는 방식에 따라 구동 기어와 종동 기어가 있습니다. 구동 기어는 다른 기어에 동력을 전달하거나 전달하는 기어입니다. 구동 기어는 다른 기어에 의해 앞으로 추진되는 기어입니다.

토크 구동 기어나 기계의 출력을 더욱 강력하게 만드는 기계적 이점입니다. 더 작은 기어가 더 큰 기어를 구동할 때 토크가 생성됩니다. 큰 기어를 한 바퀴 돌리려면 작은 기어가 더 많이 회전해야 합니다. 아래 애니메이션을 시청하면 작은 기어가 큰 기어를 돌리는 모습을 볼 수 있습니다.

속도 은 물체가 시간에 따라 이동하는 거리이며, 구동 장치나 기계의 출력을 더 빠르게 만드는 기계적 이점입니다. 이러한 장점은 더 큰 기어가 더 작은 기어를 구동할 때 발생합니다. 아래 애니메이션을 시청하면 큰 기어가 작은 기어를 돌리는 모습을 볼 수 있습니다.

속도는 토크와 반비례합니다. 출력에서 속도가 필요한 경우 토크를 줄여야 합니다. 그 반대도 사실입니다. 출력으로 더 많은 토크나 전력이 필요한 경우 속도는 감소합니다.

VEX GO 키트에는 4가지 유형의 기어가 있습니다. 빨간색 기어는 8개, 녹색 기어는 16개, 파란색 기어는 24개, 분홍색 기어는 24개입니다.  빨간색, 녹색, 파란색 기어는 속도와 토크를 전달할 수 있습니다. 핑크 기어는 중앙에 사각형 구멍이 없으며 "유휴" 기어입니다. 기어비를 바꾸지 않고 토크를 한 위치에서 다른 위치로 전달하는 데 자주 사용됩니다.