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자유낙하운동 1. 실험 목표 물리학 1에서 자유낙하운동에 대해 학습했던 것을 바탕으로, 아두이노 우노 , 적외선 감지 센서, 충격 감지 센서 등을 사용해 실험 장치를 직접 만듦으로써 피지컬 컴퓨팅에 대한 이해를 제고한다. 2. 준비물 아두이노 우노, 점퍼선, 적외선 감지 센서, 브레드보드, 충격 감지 센서, LCD 3. 사전 학습 자유낙하운동 : 중력의 영향을 받는 물체가 외부 힘에 영향을 받지 않고 자유롭게 떨어지는 운동이다. 공중에 있는 물체(초기 속도 = 0)가 수직으로 아래로 가속되며 속도가 증가하는 운동을 의미한다. 지구의 중력 가속도는 약 9.8m/s²이며 자유낙하운동에서 물체는 시간에 따라 일정한 가속도로 추락한다. 이때 물체의 이동 거리는 시간의 제곱에 비례하여 증가한다. 따라서, 자유낙하운동은 중력만이 작용하는 상태에서 발생하는 운동으로, 초기 속도 없이 시간에 따라 등속적으로 가속되어 운동하는 현상이다. 우리가 실험한 환경은 중력 외의 힘이 작용하는 공간이었으므로 우리가 수행한 실험은 유사 자유낙하운동이라고 보는 것이 맞을 듯하다. 물체가 자유낙하 할 때 물체의 위치 에너지는 모두 운동 에너지로 변하므로 ½mv²=mgh를 만족한다. 이 때, v=gt이므로 ½mg²t² = mgh이고, ½gt² = h, g = 2h/t²이 된다. 우리의 실험에서, h는 우리가 설치한 실험 장치의 높이, t는 (충격 감지 센서로 충격을 감지한 시간) - (적외선 센서로 감지한 물체의 운동 시작 시간)이다. 이를 이용해 계산한 중력가속도값을 LCD에 출력한다. 4. 실험 방법 1) 회로 구성과 소스 코드 작성을 완료합니다. 2) 소스 코드를 업로드합니다. 3) 실험에 사용되는 센서가 올바르게 작동하는지 확인합니다. 4) 골판지 조립을 완료합니다. 5) 1.5m 높이의 벽면에 적외선 감지 센서를 설치합니다. 6) 적외선 감지 센서와 수직이 될 수 있도록 바닥에 충격 감지 센서를 설치합니다. 7) 적외선 감지 센서 앞에 물체를 가져다 대고 물체가 인식되는지 확인하세요. 8) 물체가 인식되었다면 수직으로 물체를 떨어뜨립니다. 9) 물체가 떨어진 시간과 높이를 계산해 중력과 자유낙하 속도를 구합니다. 10) 여러 번 실험을 반복하고 평균 값을 구해보세요. 5. 주의사항 - 센서들이 작동하지 않는다면, 가변저항을 돌려본다. 해결되지 않는다면 점퍼선의 문제이거나 센서가 고장난 것일 수 있다. - LCD 화면에 불이 들어오지 않는다면, LCD의 I2C 주소를 확인하여 소스 코드에 입력된 것과 같은지 본다. - 실험을 할 때 벽면이 평평한(특히 걸레받이가 없는) 곳에서 해야한다. - 소스 코드에 입력된 높이는 1.47m로, 실험 장치의 높이인 1.5m에서 물체의 높이인 0.03m를 뺀 값이다. 따라서 실험을 할 때, 물체의 윗모서리 부근을 적외선 감지 센서에 맞춘 후 자유낙하를 실행하거나, 각자의 실험 방법에 따라 소스 코드에 입력한 높이를 변경한다. 6. 실험 결과 1회 : 10.7m/s² 2회 : 10.3m/s² 3회 : 10.2m/s² 평균 : 10.4m/s², 이론값(9.8m/s²)과의 오차 : 0.6m/s², 오차율 : 6.12% 7. 소감 나는 아두이노를 접하는 것도 처음인데, 아두이노를 이용한 실험까지 진행하게 되어 약간의 어려움이 있었지만 팀원과 함께 노력하여 실험을 성공적으로 마친 것이 좋았다. 오차에 대한 이야기를 하자면, 우리 실험의 결과값(평균 10.4m/s²)은 이론값(9.8m/s²)보다 약 0.6m/s² 크게 나왔다. 그 원인은 중력 이외의 힘에 있을 것이다. 우선 공기 저항은 가장 쉽게 생각해볼 수 있는 오차 원인이다. 하지만 공기 저항을 고려하면 중력가속도는 줄어들게 되며, 이는 우리 실험의 주요한 오차 원인이 공기 저항은 아님을 나타낸다. [ g = 2h/t² ] 이 식에서 t값(t>0)이 줄어들면 g값은 커진다. 다시 말해, 우리 실험에서는 t값이 예상보다 작게 나왔다는 것이다. 그 원인에 대해 고찰한 결과, 물체를 놓을 때 우리 손에 의한 힘이 물체에 가해져 초기 속도가 0이 아니게 되었고, 그에 따라 t값이 예상보다 작게 나왔으며, 결과적으로 g값이 크게 측정되었다고 생각하게 되었다. 이러한 예상을 바탕으로 현실적 차원에서 오차를 줄일 방법을 모색해 보았다. 우리 손으로 물체를 직접 들고 있다가 놓는 것은 앞서 말한 오차 원인이 발생하기 쉬우므로, 식탁보 빼기 놀이를 하듯이 한 종이 판 위에 물체를 올려놓았다가 순간적으로 종이 판을 치우면서 물체를 낙하시키는 방법을 고안해보았다. 이 경우, 공기 저항은 여전히 존재하므로 측정되는 중력가속도값은 이론값(9.8m/s²)보다 작을 것으로 예상한다. 이번 활동은 아두이노를 활용하여 피지컬 컴퓨팅에 대한 나의 이해를 제고하였으며, 아두이노 키트에 포함된 여러 센서들로 간단한 실험 장치를 고안할 수 있는 능력을 내게 심어주었다. 앞으로 자주 쓸 것 같은, 유용한 능력을 얻게 된 것 같아 유익한 시간이었다.

* 이미지 1,2,3 제공 : 백승환 아래는 충격 감지 센서가 작동한 모습이 담긴 영상이다. 잘 보면 컴퓨터 화면에 1이 떴다. 영상 화질이 좋지 않아 안보일 수도 있다. 그냥 찍은 김에 올려보았다.

스트로보스코프 실험 1. 실험 목표 LED와 택트스위치, 5V Fan 등을 이용하여 스트로보 현상을 직접 관찰한다. 2. 준비물 아두이노 우노, 점퍼선, 단색 LED, 5V LED, 브레드보드, 220옴 저항, 택트스위치 2개 3. 사전 학습 스트로보 효과 : 시각적 현상의 일종으로, 빛 또는 이미지가 끊어졌다가 이어지는 현상을 반복적으로 빠르게 보여줌으로써 움직임이 멈춘 것처럼 보이게 하는 효과이다. 또한 ‘마차 바퀴 현상’ 또는 ‘역마차 바퀴 현상’이라고도 불리며, 바퀴가 움직일 때 실제 회전 방향과는 다르게 멈춰 있거나 혹은 거꾸로 도는 현상을 의미한다. 원리 : 일반적으로 사람의 눈은 모든 순간을 감지할 능력이 없으며, 평균 1초당 12프레임을 감지할 수 있다. 이러한 특징을 이용하여 일정한 속도로 움직이는 물체에 일정한 주파수의 빛을 비추게 되면, 움직이고 있는 물체를 멈추거나 반대 방향으로 움직이는 것처럼 보이게 할 수 있다. 스트로보 효과에서는 주파수(frequency)와 점멸 시간(duty cycle)이라는 두 가지 요소가 있다. 주파수는 반복 주기의 빈도를 나타내며, 점멸 시간은 점멸 사이의 켜진 상태의 시간을 나타낸다. 점멸 시간은 일반적으로 백분율(%)로 나타내며, 점멸 시간은 0%에서 100%의 값을 가지게 된다. 0%일 경우 항상 꺼진 상태고, 100%는 항상 켜진 상태를 의미한다. 4. 실험 방법 1) 아두이노를 PC에 연결하여 포트설정이 되어 있는지 확인 합니다. 2) 아두이노의 GND를 브레드보드와 연결합니다. 3) 택트 스위치를 브레드보드에 연결하며, 각각 GND, 2번핀과 3번핀에 연결합니다. 4) 브레드보드에 단색 LED의 짧은 다리 ( - )에 GND와 저항을 연결하며, 긴 다리( + )는 13번 핀에 연5) 결합니다. 6) 아두이노에 5V FAN의 5V, GND에 연결합니다. 7) 아두이노 스케치에 코딩 후 업로드를 클릭해 스트로보스코프 실험을 진행합니다. 5. 주의사항 스트로보 효과의 속도는 주파수가 높아질 수록 빨라진다. 따라서 관찰되는 스트로보 효과의 속도를 택트스위치를 이용해 적절히 조절하며 실험을 진행한다. 6. 실험 결과 스트로보 효과가 관찰되었다. (영상 참조) 7. 소감 사실 스트로보 효과에 대해 본 적도, 들어본 적도 없었다. 수업을 통해 처음 알게 된 것인데, 관련 이론을 배웠을 뿐만 아니라 직접 회로를 구성, 스트로보 효과를 관찰까지 하면서 하나의 재밌는 경험을 하게 된 것 같다. 공학자를 꿈꾸는 사람으로서 이 효과로 인한 피해 사례는 없는지 확인해보고 싶어졌다. 빠르게 회전하는 기계를 사용하는 경우 스트로보 효과로 인해 기계가 작동하지 않는 것처럼 보이는 경우가 있고, 이 경우 사고가 나기 쉽다고 한다. 따라서 깜박임이 없는 백열등을 사용하거나, 기계나 빛의 주파수를 조절하여 사고를 예방하는 것이 중요하다고 한다. 신기한 착시 현상인 스트로보 효과를 관찰하게 되어 흥미롭기도 했지만, 이 효과로 인한 피해 사례와 예방 방법을 조사하면서 어떤 한 기술을 사용할 때 그 영향을 생각해봐야 한다는 것을 다시금 깨닫게 되는 시간이기도 했다.