꼬리에 꼬리를 물고 움직이는 톱니바퀴

최근에 과학 홈스쿨링의 소재로 할 만한 과학 장난감 중 다소 어려운 장난감만 소개드린 것 같아 오늘은 유아부터 저학년 아이들이 재미있게 체험할 수 있는 과학 장난감을 소개하려 합니다.

우리가 물체를 쉽게 움직이기 위해서 사용하는 도구가 참 많습니다. 빗면, 지레, 축바퀴, 도르래 등등 도구를 사용하게 되는데 이와 함께 사용하는 도구가 바로 기어, 즉 톱니바퀴입니다. 톱니바퀴를 움직이면 우리의 힘이 쉽게 전달되는 장치를 만들 수 있는데, 이것을 이용한 톱니바퀴 블록놀이 장난감을 소개해 볼까 합니다.

회전 방향과 회전 수까지 관찰하는 게 중요

이 톱니바퀴 블록 장난감은 여러 가지 형태로 시중에 나와 있으나 최근엔 자석으로 냉장고 옆면 또는 아이방에 흔히 있는 자석 화이트보드 등에서도 쉽게 해 볼 수 있게 출시되어 있는 것 같습니다. 그래서 반복적으로 자주 놀이해 볼 수 있는 환경을 제공합니다.

이 블록 장난감은 정해진 제작 매뉴얼이 있는 게 아니라 여러 크기와 모양의 톱니바퀴를 아이들이 자유자재로 톱니가 맞물리도록 연결해 나가면서 시작점에 있는 톱니바퀴를 돌리면서 그 톱니바퀴의 움직임으로 인해 나의 힘이 도미노처럼 순차적으로 전달되는 것을 관찰하고 확인하는 게 바로 즐거움이 될 것입니다.

아이와 이 장난감을 가지고 과학 홈스쿨링을 시작한다면 우선 2,3개의 서로 다른 크기의 톱니바퀴를 연결하여 놓고 하나의 톱니바퀴를 움직이는 체험을 하며 기본적인 탐색을 하는 것이 좋습니다. 하나의 톱니바퀴를 돌리면 맞물려 있는 다른 톱니바퀴가 움직일 텐데 큰 톱니바퀴와 작은 톱니바퀴의 움직임을, 그리고 내가 돌리는 톱니바퀴가 시계 방향으로 돌아갈 때 연쇄적으로 맞물려 있는 톱니바퀴들은 각각 어느 방향으로 돌아가는지 아이들로 하여금 관찰하게 하고 이에 대해 아이에게 질문을 하면서 탐색 단계를 거치는 것입니다.

"지금 톱니바퀴를 시계 방향으로 돌렸는데 맞물린 톱니바퀴는 어느 방향으로 돌아가고 있어?" "작은 톱니바퀴를 돌릴 때와 큰 톱니바퀴를 돌릴 때 언제 힘이 더 많이 드는 것 같아?" 이와 같이 질문한 내용에 대해 아이들이 답을 하면서 한 가지씩 스스로 알아가게 해 봅니다.

저학년 아이들이라면 자전거를 곧잘 탈 텐데 자전거에 설치되어 있는 기어와 벨트(체인)가 연결되어 움직이는 원리도 이와 관련지어서 설명해 주면 좋을 것 같습니다. 저단 기어일 때는 힘을 많이 들여야 하지만 그만큼 빨리 달릴 수 있고, 고단 기어일 때는 힘이 별로 들지 않고 달릴 수 있지만 더 많이 움직여야 달릴 수 있다는 원리도 이 체험과 관련지어 이해할 수 있을 것입니다.

물론 고학년 아이들의 경우에는 좀 더 심화된 내용까지 들어가서 이 톱니바퀴 구조를 이용한 기어로 힘을 전달할 때 힘의 방향을 바꾸려면 어떻게 해야 하는지 질문을 던지고 베벨 기어와 같이 또는 원 기어와 같이 맞물려 회전하는 전달 장치의 구조를 통해서 힘의 방향을 바꿀 수 있음을 함께 이해시키는 것도 확장 탐구 과정으로 의미가 있을 것입니다.

자전거나 자동차 등의 원리를 알게 되는 체험

체험한 내용에 대해서 아이와 함께 생각을 해 보고 나서 기어가 이용되고 있는 여러 도구와 장치들의 사례를 인터넷이나 자료 조사 등을 통해 다양하게 알아보고 관련 사진도 첨부하면서 보고서를 작성하게 합니다. 저학년의 경우에는 힘이 전달되는 과정에 대한 관심과 개략적인 이해만 서술해도 좋겠지만, 고학년 아이들이라면 앞서 언급한 다른 기어의 종류나 그 작동 원리 등 좀 더 심화된 내용까지 조사한 부분을 기록하게 하면서 보고서를 완성할 수 있도록 도와주는 것이 좋겠습니다. 이러한 과정에서 우리 생활에서 톱니바퀴를 다양하게 이용하고 있음을 느낄 텐데 앞서 반복해서 이야기한 바와 같이 기어에 대한 원리를 너무 깊이 이해할 수 있도록 강요하기보다는 앞으로 더 탐구할 수 있도록 흥미와 호기심을 가지게 하고 궁금증을 키워 나갈 수 있게 하는 것이 홈스쿨링의 목적이라고 생각합니다.

따라서 이러한 과학 홈스쿨링을 마치고 나서도 아이들이 관심을 잃지 않도록 아이방이나 냉장고 옆면에 계속 장난감이 설치되어 있는 상태에서 수시로 체험을 반복할 수 있게 한다면 힘과 에너지를 효과적으로 이용하기 위해 다양한 도구를 사용하고 있다는 것에 대해 끊임없이 동기 부여를 받을 수 있을 것입니다.