과학 교과서 충격량 그래프의 실험적 재현을 위한 기압센서 기반 측정 방안 연구
A Barometric Sensor-Based Measurement Approach for the Experimental Reproduction of Impulse Graphs in Science Textbooks
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초록
과학은 실험을 통해 개념을 발견하거나 확인하는 학습 과정을 중요하게 여긴다. 하지만 현장 적용 가능성의 어려움으로 인해 일부 개념은 실험이 함께 제시되지 않는다. 통합과학 과목의 ‘충격량’과 ‘충격 완화 시스템’이 대표적이다. 본 연구에서는 현장에서 쉽게 시간에 따른 충격력을 측정할 수 있는 방안을 탐색하였다. 고가의 장비 없이도 실험이 가능하도록, 마이크로컨트롤러인 아두이노와 BMP390 기압센서, 풍선을 이용하였다. 기존의 힘센서는 고가이며, 압력센서는 충돌 지점이 일정하지 않으면 다수를 사용해야 하므로 제어가 어렵고 내구성이 낮다는 점을 고려하여, 공기로 가득한 물체의 내부 기압을 측정하는 방안을 고안하였다. 풍선에 충격력이 가해지면 내부 기압의 변화가 나타난다. 내부 기압을 통해 충격력을 도출하는 실험을 구성하였다. 질량이 동일한 유리 구슬과 플라스틱 공을 같은 높이에서 낙하시켜 풍선에 동일한 충격량을 가하도록 얇은 스티로폼을 풍선의 충돌 부위에 부착하고 데이터를 수집하였다. 실험 결과, 충돌 시간은 유리 구슬이 90 ms, 플라스틱 공은 200 ms을 나타냈으며, 교과서에 제시된 자료와 동일한 형태의 시간-충격력 그래프를 도출할 수 있었다. 일반화한 추세선을 구하고, 충돌시간 동안의 면적을 적분으로 구한 충격량은 두 물체에서 최소 0.09 %의 최대 2.28 %의 작은 차이를 보여, 동일한 충격량이 가해졌음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 또한 충돌 과정에서 충격량은 동일하지만 충돌 시간에 따라 평균 충격력이 달라진다는 교과서의 개념을 명확하게 재현하였다. 충돌하는 두 물체가 동일한 충격량을 받는다는 사실의 확인을 통해 기압센서 기반 측정 방안의 신뢰도를 검토하였다. 낙하하는 두 물체가 풍선과 충돌하기 직전, 직후 속도를 측정할 수 있는 영상 분석 시스템을 구축하고, 충돌 직전, 직후 속도를 측정하여 충격량을 계산한 결과, 중간 정도의 오차를 보인 경우에서 기압센서 기반의 실험에서 측정한 값과 유리 구슬에서는 0.38 %, 플라스틱 공에서는 0.25 %의 차이를 보여, 충돌 과정에서 풍선과 두 물체가 받는 충격량이 같음을 확인할 수 있었고, 기압센서 기반의 실험이 실제 충격량을 신뢰할 수 있는 수준에서 측정하고 있음을 검증하였다.
Abstract
Science places importance on the learning process of discovering or confirming concepts through experiments. However, due to difficulties in practical implementation, some concepts are not accompanied by experiments. The concepts of "impulse" and "impact mitigation system" in the integrated science curriculum are representative examples. This study explored a way to easily measure time-dependent impact force in school settings. To enable experimentation without expensive equipment, an Arduino microcontroller, a BMP390 barometric pressure sensor, and a balloon were used. Considering that force sensors are costly and pressure sensors require multiple units and complex control when the impact point is not fixed—and have low durability—a method was devised to measure the internal pressure of an air-filled object. When impact force is applied to the balloon, internal pressure changes occur. An experiment was designed to derive impact force from these internal pressure changes. Glass beads and plastic balls with equal mass were dropped from the same height onto a balloon, with thin Styrofoam attached to the impact point to deliver equal impulse. As a result, the collision durations were 90 ms for the glass bead and 200 ms for the plastic ball, and a time–force graph consistent with that presented in textbooks was obtained. The impulses calculated by integrating the generalized trendlines differed by only 0.23 %, experimentally confirming that the same impulse was applied to both objects. In addition, the concept that impulse remains constant but average force changes depending on collision duration, as described in textbooks, was clearly reproduced. The fact that both objects received the same amount of impulse during collision was used to evaluate the reliability of the barometric sensor-based measurement approach. To further verify this, a video analysis system was constructed to measure the velocities of the objects immediately before and after collision. The impulse calculated from these velocities showed differences of 0.38 % for the glass bead and 0.25 % for the plastic ball compared to the barometric sensor-based measurements. This confirmed that the balloon and the two objects experienced the same impulse during collision and that the barometric sensor-based approach reliably measured actual impulse.