기타과학실험2013. 8. 24. 21:33

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빨대와 플라스틱 컵으로 계영배를 만들어 보았습니다. 계영배는 피타고라스 컵(Pythagorean cup) 이라고도 부르며 탐욕의 컵(Greedy Cup) 이라고도 불립니다. 


계영배는 사이펀의 원리를 이용하여 컵에 물이 일정량 이하일때는 아래로 흘러내리지 않지만, 어느 한도 이상이 되면 컵에 담긴 물이 모두 빠져나와버리는 컵 입니다. 


보통 구부러진 빨대를 이용하는 일이 많지만, 실제 계영배 모양은 가운데에 기둥이 올라와 있는 경우가 대부분이므로 가운데 기둥이 올라오는 형태로 만들었고, 기둥을 형성하는 빨대는 관찰이 쉽도록 투명한 것을 이용하였습니다. 


재료의 사진입니다.




플라스틱 컵3개 (사진에서는 1개 이지만 계영배 실험을 하려면 3개가 필요합니다.), 크기가 같은 동전 2개, 굵기가 다른 빨대 각각 1개, 가위, 라이터, 글루건, CD(사진에는 없습니다만, 작은 구멍이 뚫린 CD가 필요합니다.) 입니다.



먼저 가위를 이용하여 컵 아래쪽에 구멍을 뚫어줍니다. 굵기가 가느다란 빨대가 관통할 수 있을 정도이면 됩니다.



굵기가 굵은 빨대의 한쪽 부분을 동전으로 감쌉니다. 동전 끝으로 플라스틱 부분이 1~2mm 정도 튀어나도록 해 줍니다. 



플라스틱 부분을 라이터를 이용하여 열을 가해줍니다. 그러면 플라스틱 부분이 녹아서 접합되게 되는데, 동전은 열 전달이 잘 되어서 뜨거워지지 않을까 걱정을 할 수도 있지만, 열을 가하는 시간이 짧고, 동전의 열용량이 커서 손에는 열이 전달되지 않습니다.



라이터 불을 끈 다음 플라스틱이 굳을 때 까지 기다려줍니다. 보통 10초 이내입니다.



굵은 빨대를 약간 비스듬하게 잘라준 다음, 가느다란 빨대에 씌워줍니다. 굵은 빨대를 자르는 길이는 큰 빨대를 컵 안에 세웠을 때 3/4 정도 높이가 되도록 하면 적당합니다. 


수면이 이 굵은 빨대보다 높아지면 물이 모두 빠져나오게 됩니다. 굵은 빨대와 가느다란 빨대는 글루건을 이용해서 살짝 고정해 주는 것이 좋습니다. 



컵에 뚫린 구멍에 빨대를 장착합니다. 



글루건을 이용해서 물이 새지 않도록 고정해 줍니다.



빈 컵에 CD를 올려둔 다음, 방금 제작한 계영배를 올려둡니다. 나머지 컵에는 계영배를 동작시킬 수 있을 정도의 물을 준비합니다. 



수면의 높이가 굵은 빨대보다 낮을 때(가운데 가느다란 빨대보다 낮을 때)에는 물이 전혀 빠져나오지 않습니다. 



하지만 물을 조금 더 부었더니 내부에 있는 물이 빠져나오기 시작합니다. 



결국 계영배에 담겨진 물이 전부 다 빠져나와 버렸습니다. 


아래의 동영상은 만드는 과정과 테스트하는 과정입니다.



http://youtu.be/6275vz0kE_w


오늘날 계영배의 원리는 좌변기나 자바라펌프 등에 이용되고 있습니다. 


아래의 그림은 위키백과에서 가져온 계영배의 원리도 입니다.



그림 : http://en.wikipedia.org/wiki/Pythagorean_cup


계영배의 단면은 그림 A와 같습니다. 마치 구부러진 빨대가 컵 가운데에 있는 형상입니다. 


그림 B와 같이 물을 채웠을 때, 기둥보다 높게 채우지 않았다면 물은 전혀 빠져나오지 않습니다.


물을 조금 더 채워서 기둥보다 수면이 높아지면 물이 빠져나오기 시작합니다. (그림 C)


물이 빠져나와서 수면이 기둥의 높이보다 낮아져도 기둥의 가운데 부분에는 물이 차 있기 때문에 사이펀의 원리로 물이 계속 빠져나옵니다. 결국 컵 안의 물은 모두 빠져나옵니다. (그림 D)


계영배의 물이 빠져나오는 것은 대기압이 작용하기 때문이며, 진공에서는 중력이 있어도 계영배의 동작은 불가능하고, 기둥보다 높은 부분의 물만 빠져나오게 됩니다. (사실 진공에서는 상온에서 물이 끓어버리기 때문에 진공에서는 실험 자체가 불가능하다고 볼 수 있습니다.)

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Posted by 블루토파즈