당곡고 김가연 활동 보고서
활동 보고서
김*연
2024-10-29
**자유 낙하 운동 실험** 1. 실험 목표 -적외선 감지 센서와 충격 감지 센서를 사용해 자유낙하 물체의 운동 시간을 측정하여 중력과 자유낙하 속도를 확인한다. -거리 속도, 가속도 간의 관계 학습과 물리학에서 중력에 의한 운동을 이해해볼 수 있다. 2. 준비물 -아두이노 우노, 점퍼선, 브레드보드, 충격 감지 센서, 적외선 감지 센서, LCD, 골판지 3. 사전 학습 자유낙하운동은 중력의 영향을 받는 물체가 외부 힘에 영향을 받지 않고 자유롭게 떨어지는 운동이다. 공중에 있는 물체의 초기 속도는 0이며 중력의 가속도에 따라 점점 빨리 가속된다. 이 때 지구의 중력 가속도는 약 9.8m/s²이며 자유낙하운동에서 물체는 시간에 따라 일정한 가속도로 추락한다. 추락 운동에서 물체의 이동 거리는 시간의 제곱에 비례하여 증가한다. 따라서, 자유낙하운동은 중력만이 작용하는 상태에서 발생하는 운동으로, 초기 속도 없이 시간에 따라 등속적으로 가속되어 운동하는 현상이다. 1)노트북과 아두이노를 책상 위에 배치해둔다. 2)줄자를 활용하여 양 끝에 출발지점과 도착지점을 1.5m 높이에 설치한다. 3)적외선 감지 센서를 준비하고, 대략 9개의 암수점퍼선을 이용하여 연결한다. 4)적외선 감지 센서를 출발지점에 연결한다. 5)충격 감지 센서를 연결하고, 약 6개의 암수점퍼선을 이용해 연결한다. 6)LCD를 준비하고, 4개의 암수점퍼선을 이용하여 연결한 후 책상 위에 놓아둔다. 4. 실험 방법 1)아두이노를 PC에 연결하여 포트설정이 되어 있는지 확인한다. 2)아두이노 적외선 감지 센서 GND, VCC(5V), OUT(3번 핀)에 연결한다. 3)아두이노 충격 감지 센서 GND, VCC(5V), D0(2번 핀)에 연결한다. 4)아두이노 LCD의 GND, VCC(5V), SDA(A4), ACL(A5)에 연결한다. 5)아두이노 스케치에 코딩 후 소스 코드를 업로드한다. 6)실험에 사용되는 센서가 올바르게 작동하는지 확인한다. 7)골판지 조립을 완료한다. 8)1.5m 높이의 벽면에 적외선 감지 센서를 설치한다.(암수점퍼선으로 연장한다.) 9)적외선 감지 센서와 수직이 될 수 있도록 바닥에 충격 감지 센서를 설치한다. 10)적외선 감지 센서 앞에 물체를 가져다 대고 물체가 인식되는지 확인한다. 11)물체가 인식되었다면 수직으로 물체를 떨어뜨린다. 12)물체가 떨어진 시간과 높이를 계산해 중력과 자유낙하 속도를 구한다. 13)여러 번 실험을 반복하고 평균 값을 구해본다. 5. 주의사항 -충격 감지 센서에 너무 과도한 충격을 주지 않도록 주의한다. -적외선 감지 센서의 물체 감지 LED에 불이 들어오지 않을 때 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 감도를 수정한다. -LCD에 글자가 보이지 않으면 가변저항을 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌려 감도를 수정한다. 6. 실험 결과 총 5번에 걸쳐서 실험했고, 각각의 실험 결과는 9.54m/s², 11m/s², 9.54m/s², 7.41m/s², 12m/s²로 편차가 생각보다 컸지만 평균을 내어보니 9.898m/s²로 실제 중력 가속도와 매우 비슷했다. 7. 소감 아두이노를 이용해 자유 낙하 운동의 가속도를 직접 측정하는 과정을 실험할 수 있었다. 적외선 감지 센서와 충격 감지 센서를 이용해 시간을 측정하고, 이를 바탕으로 속도와 가속도를 계산해보니 물리학 이론과 실제 실험 데이터의 차이를 알 수 있었다. 배운 점 중 가장 큰 것은, 데이터를 직접 측정하고 분석하는 과정이 산업공학과 밀접히 연관된다는 점이었다. 아두이노와 센서를 사용해 실험의 변수를 정량적으로 측정하는 방식은 산업공학에서의 데이터 수집 및 분석과 비슷했다. 산업공학에서는 생산 공정의 효율성을 높이기 위해 여러 센서를 통해 데이터를 실시간으로 측정하고, 이를 통해 공정 최적화 방안을 모색한다. 이번 실험을 통해 데이터 수집이 얼마나 중요한지 알게 되었고, 분석 결과가 실제 중력 가속도와 가까워질 때마다 성취감도 느꼈다. 또한, 실험 도중 발생한 편차를 보며 데이터 분석에서 오류를 줄이는 방법이 왜 중요한지 생각해보게 되었다. 각 실험마다 다른 가속도 값이 나온 이유로는 센서의 감지 범위나 물체의 초기 위치가 조금씩 달랐기 때문일 수 있는데, 이런 실험 오차를 줄이기 위한 반복 측정과 평균값 계산이 과학적 탐구에 꼭 필요함을 알게 되었다. 산업공학에서도 센서 오류나 데이터 편차를 줄이기 위한 품질 관리와 시스템 설계가 중요한데, 이를 통해 실제 환경에서 안정적인 성능을 유지할 수 있다는 점을 느끼게 해주었다. 실험 과정 중 아두이노 연결에서 어려움을 느끼기도 했지만, 이러한 과정이 전반적인 실험 이해도를 높이는 데 큰 도움이 되었던 것 같다. 이번 경험을 통해 과학적 데이터 분석의 기초를 익혔고, 이런 기초가 산업공학에서 더욱 심화된 형태로 발전되어 활용된다는 점에서 미래 진로에 대한 동기부여가 되었다.








**스트로보스코프 실험** 1. 실험 목표 -택트 스위치를 이용해 물체의 고유한 주파수를 측정하여 스트로보 현상을 이해한다. 2. 준비물 -아두이노 우노, 점퍼선, 단색 LED, 브레드보드, 저항 220옴, 택트스위치 2개, 5V FAN 3. 사전 학습 스트로보 효과란 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. 일반적으로 사람의 눈은 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. 4. 실험 방법 1)아두이노를 PC에 연결하여 포트설정이 되어 있는지 확인한다. 2)아두이노의 GND를 브레드보드와 연결한다. 3)택트 스위치를 브레드보드에 연결하며, 각각 GND, 2번핀과 3번핀에 연결한다. 4)브레드보드에 단색 LED의 짧은 다리 ( - )에 GND와 저항을 연결하며, 긴 다리( + )는 13번 핀에 연결한다. 5)아두이노에 5V FAN의 5V, GND에 연결한다. 6)아두이노 스케치에 코딩 후 업로드를 클릭해 스트로보스코프 실험을 진행한다. 7)LED를 5V 팬에 비춘다. 8)택트 스위치를 눌러 주파수를 올리거나 낮추면서 스트로보 효과가 나타나는 안정적인 주파수(Hz)를 찾아본다. 5. 주의사항 LED 불빛 외에 다른 빛이 최대한 들어오지 않도록 주의한다. 6. 실험 결과 실험 결과 100~120 사이의 주파수에서 스트로보 효과가 가장 잘 나타난다는 것을 알게 되었다. 특히 117, 106 정도의 지점에서 가장 잘 나타났다. 선풍기가 멈춘 것처럼 보이기도 하고, 뒤로 가는 것처럼 보이기도 했다. 7. 소감 주파수 조절이 시각적 착시에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 물리적 원리를 이해할 수 있었다. 특히 100~120Hz의 범위에서 주파수를 맞추었을 때 스트로보 효과가 극대화되는 것을 보며, 주파수와 실제 운동이 결합해 만들어내는 착시 현상의 원리를 경험할 수 있었다. 이러한 실험을 통해 시간, 주파수, 시각 효과를 통합적으로 고려하는 분석법이 산업공학과에서도 유용할 수 있다는 점을 깨달았다. 산업공학에서는 생산 라인의 효율성을 높이기 위해 각 공정 단계에서 최적의 타이밍을 맞추는 것이 중요한데, 스트로보스코프와 같은 원리로 기계의 진동 주파수나 속도를 조정해 공정의 안정성을 높일 수 있을 것 같다고 생각했다. 브레드보드를 이용해 LED, 저항, 아두이노, FAN을 모두 연결해야하다보니, 회로 설계 과정에서 조금 어려움이 있었다. 그리고 주파수의 작은 차이에도 스트로보 효과가 크게 달라져 택트스위치를 여러번 누르면서 주파수를 미세하게 조절할 수 있도록 노력했다. 스트로보스코프 실험을 통해 빛의 주파수 조정과 시각적 효과가 산업 현장의 공정 최적화와 얼마나 유사한지 배우며, 산업공학의 데이터 분석과 효율성 증대에 대한 관심이 더욱 높아졌다.






