에너지 전달 과정을 관찰하는 탄성충돌구

여기 마치 그네를 타듯이 포물선을 그리는 쇠구슬이 있습니다. 실에 매달린 쇠구슬이 아래로 내려오다가 다른 쇠구슬에 부딪히면 쇠구슬 중 맨 끝에 있던 쇠구슬이 다시 튕겨져 올라갑니다. 이렇게 쇠구슬의 움직임을 관찰하는 과학 장난감이 있는데 보통 탄성충돌구라고 부르는 장난감입니다.

오늘은 이 탄성충돌구를 가지고 아이와 과학 홈스쿨링을 하는 방법을 소개해 드리고자 합니다.

물체가 가진 에너지를 눈으로 보는 탐구

탄성충돌구는  물체가 가진 에너지가 전환되는 것을 눈으로 관찰할 수 있는 과학 장난감 교구입니다. 보통 다섯 개 정도의 쇠구슬이 두 개의 쇠막대에 매달린 형태로 평상시에는 한 줄로 나란히 매달려 있고 각각의 쇠구슬은 손으로 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이 쇠구슬 중에서 하나의 쇠구슬을 위로 들어 올렸다가 놓으면 쇠구슬이 가진 위치에너지가 중력에 의해 실에 매달린 채 진자 운동을 하면서 운동에너지로 바뀌게 됩니다. 이렇게 바뀐 운동에너지를 가진 쇠구슬은 아래에 있던 쇠구슬 여러 개 중 바로 옆에 있는 쇠구슬과 충돌하면서 운동에너지가 다른 쇠구슬을 통해 전달되었다가 더 전달될 수 없는 맨 끝의 쇠구슬에 이르면 쇠구슬이 그 에너지에 의해 그네를 타고 올라가듯 위로 올라가게 됩니다.

이렇게 운동에너지의 양(이제부터 운동량이라고 부르겠습니다)이 전달되는 과정에서 쇠구슬은 공중에서 이동하므로 마찰력이 거의 작용하지 않고 쇠구슬이 완전 탄성체이기 때문에 거의 대부분을 고스란히 전달하기 때문에 위로 올라가는 구슬은 원래 구슬이 있던 높이까지 올라가고 이 과정을 계속 반복하는 것을 볼 수 있습니다. 만약 두 개의 구슬을 들어 올려 실험하게 되면 반대편에서 에너지가 전달된 두 개의 구슬이 같은 과정으로 올라가는 것도 볼 수 있습니다.

이러한 과정을 통해 탄성충돌구는 에너지는 다른 에너지로 전환될 뿐 그 전체의 양은 변하지 않는다는 에너지 보존 법칙을 보여주고 있는 것입니다.

이 탄성충돌구가 가진 과학적 원리를 위와 같이 설명드렸지만 아이와 이 과학 장난감을 가지고 홈스쿨링을 할 때 저학년 아이들은 에너지의 개념이 아직 어려울 수 있으므로, '그네를 타고 내려오는 힘이 전달되는 과정' 정도로 간략하게 표현하면서 탐구를 유도하는 게 좋겠고, 5, 6학년 아이들에게는 에너지의 개념을 조금씩 이용하면서 탐구를 해도 무리가 없을 것이라 생각합니다.

생활 속에서 에너지의 개념을 느끼게 하자

실제로 6학년 2학기가 되면 과학 교과서에 에너지와 생활 단원이 포함되어 있는데 이 단원에서 우리 생활 속 에너지의 쓰임과 이 에너지가 보존되고 다른 에너지로 전환되는 과정을 학습하게 됩니다. 그 내용을 학습할 때 특히 이 탄성충돌구가 적절하게 이용될 수 있으리라 생각합니다.

일단 아이와 과학 홈스쿨링을 시작할 때는 사전에 대화를 나누며 생활 속에서 하늘로 던진 공이 포물선을 그리며 아래로 떨어지는 과정이나 그네를 타고 높이 올라갔다가 다시 아래로 빠르게 내려오다가 반대편 위로 높이 올라가는 과정을 예를 들며 과거의 경험을 떠올리게 하고 그 과정을 세분화해서 위치에너지(저학년에게는 우선 '높은 위치에서 얻게 되는 힘'이라고 표현하는 게 적절해 보입니다)가 가장 많은 반면 운동에너지(저학년에게는 우선 '빠르게 움직이게 되면서 얻게 되는 힘'이라고 표현하는 게 적절해 보입니다)가 가장 적은 상태로부터 반대로 운동에너지가 가장 많지만 위치에너지가 가장 적은 상태에 이르기까지의 과정을 여러 단계로 나누어서 설명해 봅니다.

그다음에 탄성충돌구를 아이들이 체험해 보게 하면서 쇠구슬이 진자운동을 하고 충돌을 하는 과정을 관찰하게 해 보는데 아이들은 낯선 탄성충돌구가 반복적으로 움직이면서 똑딱거리는 충돌을 반복하는 모습이 신기해서 많은 호기심을 가지게 될 텐데 그때 앞서 말한 것처럼 에너지가 전달되고 다른 에너지로 전환하는 관점으로 설명을 해 준다면 모두 이해하지 못하더라도 물체가 에너지를 가지고 있음에 대해 어느 정도 인지하게 될 것입니다. 

그리고 생활 속에 여러 가지 에너지가 존재하는 것도 설명해 주면서 그 에너지를 생활 속에서 다양하게 활용하고 있는 사례를 조사하여 찾아보게 하면 어떨까 싶습니다. 이때 근원적으로 생물이 자라는 데도 필요한 태양에너지부터 짚어 생각해 보면 실제로 우리 생활 속에서 에너지로 해석할 수 있는 것이 무한히 많다는 것을 느끼게 될 것입니다. 그리고 우리 생활에 쓰이는 에너지원이 얼마나 많은지 아이들이 자연스럽게 체감하면서 생각의 깊이가 깊어지지 않을까 생각합니다.