신발바닥 모양에 따른 마찰력 비교.최종수정본현줘

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신발바닥 모양에 따른 마찰력 비교
신현중학교 김유재 최강 꽃 미남
태릉중학교 정찬혁
성일중학교 방현조
성일중학교 박해찬
주제설정의 동기
• 학교 운동장이나 복도를 돌아다니다 보면 슬리퍼 때문에
자주 미끄러지는 일이 생긴다.
• 복도에서 넘어져 부끄러움과 고통스러움에 일어나지 못
하는 친구를 보며 이런 생각을 하게 되었다.
“만약 신발의 돌기를 늘리면 잘 넘어지지 않을까?”
• 이 때문에 마찰력을 높게 하는 돌기의 수와, 바닥과의 관
계를 알아보고 싶어서 이 주제를 정하게 되었다.
탐구 과정
• 1. 배경지식
▫ 마찰에는 정전기적 마찰, 역학적 마찰이 있다.
▫ 정전기적 마찰은 두 물체가 접촉할 때 생기는 정전기적 인
력에 의해서 생기는 마찰이고, 역학적 마찰은 물체의 표면
에 따라서 생기는 마찰이다.
▫ 그 중 우리가 관찰할 것은 역학적 마찰이다.
▫ 후크의 법칙:용수철에 힘을 가할 때 그 힘의 크기가 일정한
한도 내라면, 그 힘의 크기에 비례하여 용수철은 늘어난다.
▫ 힘의 크기를 F, 늘어나는 길이를 x라 하면, F = kx가 성립한
다. 이 때 k를 용수철 상수라 한다. 일반적으로 물체(탄성체)
에 외력이 작용하면 물체는 변형된다. 가한 힘의 크기가 일
정한 한계를 넘지 않는 한, 그 변형의 크기는 외력에 비례한
다는 법칙이 후크의 법칙이다.
탐구할 내용
• 1. 탐구내용
▫ 돌기의 수에 따른 마찰력의 변화는 어떻게 되는가
▫ 바닥 재질에 따라서 알맞은 돌기의 수는 어떻게 되는
가
▫ 경사면에서는 어떤 돌기의 수, 배치가 알맞은가
탐구할 내용
• 2. 가설
▫ 돌기의 수가 많아질수록 마찰력이 증가할 것이다.
▫ 고무판에는 16개, 돌 판에는 돌기가 없는 것, 나무 판
에는 돌기가 16개, 보도블록에는 돌기가 9개인 것이
가장 마찰력이 많을 것이다.
▫ 경사면에서는 돌기가 16개인 것이 가장 마찰력이 많을
것이다.
탐구과정
• 3.준비물
▫ 가. 돌기의 수에 따른 마찰력의 차이
 1) 고무판(신발 역할), 본드, 실, 용수철저울, 돌판, 추(300g)
▫ 나. 바닥재질에 따른 마찰력의 차이
 1) 고무판(신발역할), 돌판, 나무판, 고무판(바닥역할), 보도블록,
본드, 실, 용수철저울, 추(300g)
▫ 다. 경사면에서의 마찰력, 돌기의 배치
 1) 나무판, 고무판(신발 역할), 용수철저울, 실, 추(300g)
실험1과정
• 가. 고무판 4개를 준비한다.
• 나. 한 개는 무늬를 넣지 않고, 한 개는 돌기 4개를 넣고, 한
개는 돌기 9개를 넣고, 한 개는 돌기 16개를 넣는다.(이때
이 고무판들은 신발바닥에 해당한다.)
• 다. 돌바닥에 각각의 고무판들을 마찰시킨다.
• 라. 용수철이 가장 많이 늘어난 것을 측정한다.
실험2과정
• 가. 실험1과 같은 모양의 고무판을 준비한다.
• 나. 고무판들을 각각 돌판, 나무판, 보도블럭, 다른 고무판
(바닥 역할)에 마찰시킨다.
• 다. 용수철이 늘어난 양을 각각 측정한다.
실험3과정
• 가. 나무판을 30°~50°사이에 10°간격으로 나무판의 각도
를 변경해간다.
• 나. 고무판을 나무판 위에 올려놓고 각도를 다르게 해서 마
찰력을 측정한다.
• 다. 고무판에 돌기의 배치를 다르게 해서 마찰력을 각각 측
정한다.
실험 1
실험 1은 4개의 고무판을 만들어서 각각 바닥에 마찰시키는
실험이다. 먼저 돌기가 하나도 없는 것과 4개 있는 것, 9개
있는 것, 16개 있는 것을 만들었다. 그러고 나서 각각 바닥에
마찰을 시켰다. 경사가 없는 바닥에서는 돌기가 16개인 것이
평균 3.7N으로 마찰력이 가장 높았다.
횟수
1회
2회
3회
평균
0개
2.4
2.6
2.3
2.43
4개
3
3.1
3
3.03
9개
3.2
3.4
3.5
3.37
16개
3.9
3.4
3.8
3.70
돌기 수
단위:N
실험 2
실험 2는 바닥 재질에 따른 마찰력의 차이이다. 먼저, 돌
판 실험, 나무판, 보도블럭, 고무판의 순서로 실험을 했
다. 돌판은 위에서 했으므로 생략하고, 나무판은 다음과
같이 나왔다. 나무판 위에서도 역시 돌기가 16개인 것이
가장 잘 나왔다.
횟수
1회
2회
3회
평균
0개
2.70
2.90
3
2.87
4개
4.2
3.8
3.6
3.87
9개
3.8
4.2
4.2
4.07
16개
4.2
4.6
4.4
4.40
돌기 수
단위:N
다음은 보도블록 실험이다. 실제 우리가 걸어다니는 환경
과 가장 비슷할 것으로 예상된다. 보도블록은 모양이 다 달
라서 대체로 많이 쓰이는 모양으로 해서 넣었다. 9개가 가
장 마찰력이 높을 것이란 가설과 달리 보도블록에서도 16
개가 가장 마찰력이 높았다.
횟수
1회
2회
3회
평균
0개
3
2.8
3
2.93
4개
3.8
3.6
3.6
3.67
9개
4.3
4.2
4
4.17
16개
4.2
4.6
4.2
4.33
돌기 수
단위:N
마지막은 고무판 실험이다. 고무판에는 16개가 가장 마찰
력이 높게 나올 것이라는 추측을 했다. 그러나 의외로 4개
와 9개가 가장 높게 나왔다.
횟수
1회
2회
3회
평균
0개
2.8
2.8
2.8
2.80
4개
4.4
4
4.2
4.20
9개
4.4
4.2
4
4.20
16개
4.2
4.2
4
4.13
돌기 수
단위:N
실험 3은 판의 각도를 다르게 하면서 마찰시키는 실험이
다. 일단 먼저 0°~20°까지는 판이 내려가지 않아 의미가
없어서 30°,40°,50°를 실험했다. 경사면에서는 맨 위에서
일정한 힘으로 고무판을 밀었을 때 내려오는 시간으로
측정했다.
제일 먼저 30°이다. 결과는 돌기가 9개인 것이 가장 늦게
내려왔다.
횟수
1회
2회
3회
평균
0개
2.27
1.66
1.6
1.84
4개
2.2
2.3
2.37
2.29
9개
3
3.1
2.7
2.93
16개
2.5
2.47
2.6
2.52
돌기수
단위:초
두 번째는 40°이다. 40°는 30°보다는 경사가 크기 때문에
돌기가 16개인 것이 가장 늦게 내려올 것이라고 예상했다.
그러나 40°에도 돌기가 9개인 것이 가장 늦게 내려왔다.
횟수
1회
2회
3회
평균
0개
1
0.8
1
0.93
4개
1.07
1.2
1.07
1.11
9개
1.13
1.19
1.07
1.13
16개
1.04
0.9
1.07
1.00
돌기수
단위:초
마지막은 50°이다. 50°는 경사가 크기 때문에 4개의 결
과가 다 비슷할 것이라고 예상했으나 경사면 50°에서는
오히려 돌기 16개인 것이 더 시간이 오래 걸렸다.
횟수
1회
2회
3회
평균
0개
0.8
0.9
0.8
0.83
4개
0.9
1
0.9
0.93
9개
1.04
0.8
0.9
0.91
16개
1
1.1
1.01
1.04
돌기수
단위:초
결과를 정리해 보면 아래와 같다.
실험1; 고무판의 돌기 개수와 마찰력의 관계
돌기의 개수
0개
4개
9개
16개
마찰력
2.43N
3.03N
3.37N
3.70N
실험2; 바닥 재질에 따른 마찰력의 차이
바닥의 종류
가장 마찰력이 큰
돌기의 개수
돌판
나무판
보도블럭
고무판
16
16
16
4, 9
3.70N
4.40N
4.33N
4.20N
가장 마찰력이 큰
돌기의 마찰력
실험3; 바닥의 경사에 따른 내려오는 시간의 차이
바닥의 각도
가장 마찰력이 큰 돌기
의 개수
가장 마찰력이 큰 돌기
의 내려오는 시간
30°
40°
50°
9
9
16
2.93
1.13
1.04
실험1에서는 가설대로 돌기가 많으면 마찰력도 커진다는 사실을 알 수 있다
그리고 경사가 가파를수록 마찰력이 줄어든다는 것을 알 수 있다.
느낀 점
• 처음엔 어떻게 해야 할지 막막했는데 실생활에서 많이 볼
수 있는 실험을 정하고 실험을 하니 즐겁게 실험을 할 수
있었다. 처음엔 팀원들 간에 갈등도 있었지만 실험을 하면
서 더욱 친해질 수 있는 계기가 되었다.
• 다만 우리 실험을 하며 손으로 물체를 조작해야 하는 과정
이 있어 실험 결과가 부정확한 점과 실험을 반복해 평균을
유추하는 횟수가 너무 적어서 아쉬웠다.
I. 출처
• http://www.scienceall.com/dictionary/diction
ary.sca?todo=scienceTermsView&classid=&a
rticleid=257681&bbsid=619&popissue=
감사합니다

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