공중에서 회전하는 자기부상 팽이

우리 주위에서 날개 없이 중력을 극복하고 어떤 퍼포먼스를 보이는 것은 보기도 드물뿐더러 그 자체가 놀랍고 신기한 광경을 연출합니다. 예컨대 마이클 조던의 우아하고 체공시간이 엄청나게 긴 점프라거나 공중에 떠서 엄청나게 먼 거리를 날아서 가는 날치 떼의 모습이 그렇습니다.

오늘은 이러한 광경을 과학으로 연출하는 장난감이자 생활 속에서 이제 흔히 볼 수 있는 자기 부상 열차의 원리를 설명해 줄 수 있는 장난감이기도 한 자기 부상 팽이를 통한 홈스쿨링 과정을 소개하겠습니다.

이 장난감은 반제품의 형식으로 자석이 들어 있는 받침대와 아령과 같이 생긴 자석 본체, 그리고 받침대 슬릿에 끼울 수 있는 투명 원판 이렇게 세 가지 부속 재료로 이루어져 있습니다.

팽이가 뜬 채로 돌아가는 이유를 찾게 해야

일단 이 과학 장난감을 조립하여 자석 팽이 본체가 공중에 떠 있게만 해도 사실 신기한 모습이 됩니다. 바닥에 닿은 부분 하나 없이 자석 팽이가 떠 있다는 사실 자체가 아이들을 재미있게 만든 것입니다. 사실 과학 시간에 자석끼리 밀어내는 힘을 이미 경험했다 하더라도 단순히 자석을 위나 옆으로 밀어 튕겨내 버리거나 막대에 끼워진 고리 자석이 막대에 지지하여 위로 뜨는 모습은 그리 신기하지 않지만 제법 부피가 큰 자석 팽이 본체가 어떻게 균형을 맞추고 떠 있는지부터가 신기한 것입니다.

이때부터 아이와 과학 홈스쿨링을 시작하면 좋을 것입니다. 앞서 말씀드린 바와 같이 생활 속에서 보았거나 승차해 본 자기 부상 열차는 이처럼 레일 위에 떠서 운행하는 구조라는 것을 설명하면서 말이죠. 그러고 나서 우선 자기 부상 팽이가 떠 있는 것과 관련하여 받침대 속에 무엇이 있을지(당연히 자석이 들어있겠지만 하나씩 접근하면서 아이가 구체적인 추론을 할 수 있도록 도와주는 것이 의미 있습니다) 이야기 나누고 자석 팽이가 균형을 잃고 튕겨나가지 않게 하는 받침대 속 자석의 위치도 아이들이 예상해 보게 하면 좋을 것 같습니다.

이제 아이들 스스로 자석 팽이의 한쪽 끝을 잡고 손가락으로 돌려보게 하는데 이 과정에서 자석 팽이를 잡으면 받침대가 자석 팽이를 미는 힘을 느낄 수 있는지 물어보고 그 힘의 세기를 아이들에게 표현해 보게 하세요. 그리고 팽이를 돌리게 되면 원판과 닿는 팽이 끝의 금속 심이 밀리면서 팽이가 균형을 잃는 것을 볼 수 있습니다. 사실은 미리 원판의 정해진 지점을 금속 심으로 꾹 눌러 오목하게 만들어 팽이가 회전할 때도 균형을 잃지 않도록 하는 게 이용 방법이긴 하지만 이 상황도 아이들이 관찰하면서 3차원 물체가 균형을 잡고 공중에 떠 있는 것이 쉽지 않은 과정임을 느끼게 하기 위해서 이 시점에서 그것에 대해 느끼고 이야기하게 해 보는 것입니다.

팽이가 오래 돌아가는 이유도 탐구해야

이제 금속 심으로 균형에 맞는 위치를 찾아 꾹 눌러 오목하게 만든 다음 다시 회전을 시키면 올바른 위치를 유치하면 자기 부상 팽이가 공중에서 약간 뒤뚱거리긴 하지만 계속 돌아가는 것을 볼 수 있습니다. 돌아가는 것을 관찰하면서 아이에게 다른 일반 팽이와 무엇이 같고 무엇이 다른지 공통점과 차이점을 찾아보게 하면서 다른 팽이보다 훨씬 오래가는 이유를 아이들에게 묻고 그 이유를 하나하나씩 적게 해 주세요.

"다른 팽이는 중력 때문에 쓰러지면 회전을 멈추지만 이 팽이는 쓰러지지 않으니까 계속 돌 수 있어요." "다른 팽이는 무게가 실린 채로 팽이 끝의 심이 돌아가기 때문에 마찰력이 방해를 하지만 이 팽이는 자리만 지탱할 뿐 팽이 끝의 심에 무게가 실리지 않아 마찰력이 크지 않을 것 같아요." 나름의 생각을 표현하는 아이들의 이런 이야기를 보고서에 적게 하면서 팽이가 돌아가는 모습을 사진으로 찍어 첨부할 수 있도록 준비를 하면 좋을 것 같습니다.

이렇게 자석끼리 밀어내는 원리로 지난번에 포스팅한 '끝없이 돌아가는 팽이'도 홈스쿨링을 했다면 이에 대해서도 환기시켜 주는 동시에 자기 부상 열차의 자세한 원리(일반 자석을 사용하였는지 전기로 작동하는 전자석을 사용하였는지 그 이유는 무엇인지 등 조사할 내용이 알고 보면 참 많을 것입니다)와 더불어 자석이 일반적인 생활 속에 쓰이는 사례 외에 과학 기술에서 어떻게 사용되고 있는지 조사하게 되면 의미 있는 홈스쿨링으로 값진 보고서를 얻을 수 있지 않을까 싶습니다.

참고로 자석이라는 단어가 한자로 풀어서 볼 때 '자'자는 자석 외에 어머니를 뜻하기도 한다도 합니다. 어머니가 아이를 품에 안듯 자석이 자성체를 품에 안는 성질을 가지고 있기 때문일 것이라고 여겨지는데 자석을 탐구하는 홈스쿨링을 하고 있는 아이 곁의 부모님도 하나의 자석과 같은 모습이 아닐까 생각하며 이 포스팅을 마치겠습니다.