STEM Project-Based Learning : 최고의 고무 밴드 자동차 (The Best Rubber Band Car)

STEM 프로젝트: 최고의 고무 밴드 자동차 (The Best Rubber Band Car)

[소개]
안녕하세요! 이번 블로그에서는 STEM (과학, 기술, 공학, 수학) 프로젝트 중 하나인 "최고의 고무 밴드 자동차"에 대해 알아보겠습니다. 이 프로젝트는 고무 밴드의 에너지를 활용하여 자동차를 만들고, 그 성능을 최적화하는 과정을 경험할 수 있는 재미있는 활동입니다. 준비되셨나요? 함께 시작해봅시다!

[1. 목표 설정]
먼저, 이 프로젝트의 목표를 설정해봅시다. 목표는 고무 밴드로 구동되는 자동차를 설계하고 만들어서 최대한 멀리 이동하도록 하는 것입니다.

[2. 재료 준비]
자동차를 만들기 위해 필요한 재료를 준비해야 합니다. 주요 재료로는 다음과 같은 것들이 필요합니다:

나무 또는 플라스틱으로 만든 차체
바퀴 (작은 플라스틱 바퀴 또는 CD/DVD 등)
고무 밴드
접착제, 가위, 막대 나사 등 소형 공구
[3. 설계 및 제작]
자동차의 설계를 시작해봅시다. 차체를 만들고, 바퀴를 부착합니다. 고무 밴드를 어떻게 연결하고 구동할지도 고려해야 합니다. 설계 단계에서는 창의적인 아이디어를 발휘하여 자동차의 성능과 모양을 개선할 수 있습니다.

[4. 실험 및 성능 향상]
제작한 자동차를 테스트하여 성능을 평가해보세요. 고무 밴드의 길이, 차체의 무게 및 모양, 바퀴의 지름 등을 조정하며 최대한 멀리 이동할 수 있는 조합을 찾아보세요. 실험과 데이터 수집을 통해 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 찾아냅시다.

[5. 경험 공유]
프로젝트를 완료한 후에는 다른 사람들과 경험을 공유하는 것이 좋습니다. 블로그, 동영상, 포스터 등을 활용하여 자신의 프로젝트 과정과 성과를 설명해보세요. 다른 사람들과의 피드백을 통해 더 많은 아이디어를 얻을 수 있을 것입니다.

[6. 학습 포인트 및 결론]
이 프로젝트를 통해 STEM 분야에서 다양한 학습 포인트를 얻을 수 있습니다. 과학적인 실험과 데이터 분석, 기술적인 설계와 제작, 공학적인 문제 해결 등이 그 중 일부입니다. 프로젝트를 마무리하면서 얻은 교훈과 성과를 정리하고, 앞으로의 STEM 학습에 대한 동기부여를 얻을 수 있는 결론을 작성해보세요.

이렇게 "최고의 고무 밴드 자동차" 프로젝트를 통해 STEM 분야에 대한 흥미를 느끼고, 창의적인 문제 해결 능력을 키워보세요. 재미있는 프로젝트를 통해 새로운 지식과 경험을 얻을 수 있을 것입니다. 성공을 기원합니다!

고무줄은 에너지 변환을 가르치는 편리하고 효과적인 방법이며, 이 고무줄 자동차는 그 수업을 폭발적으로 만듭니다!

Google에서 "고무줄 자동차 프로젝트"를 빠르게 검색하면 수만 개의 결과가 나오는데, 왜 고무줄 구동 바퀴를 재발명해야 할까요? 상위 결과는 트랙션이 없는 작은 바퀴가 있는 자동차 또는 악셀에 부착하기 어려운 CD 바퀴를 보여주며, 둘 다 프로젝트 기반 학습에 적합하지 않습니다.

성공적인 고무줄 자동차의 핵심 중 하나는 악셀에서 미끄러지지 않는 고무 그립이 있는 큰 바퀴입니다. 이를 통해 짧은 거리를 빠르게 질주하거나 장거리를 이동하도록 자동차를 설계할 수 있습니다. 최종 프로젝트 단계가 끝나면 각 유형의 목표를 달성하기 위해 자동차 디자인을 변경하는 방법을 배우고 함께 제공되는 교육 자료를 확인하십시오.

이 프로젝트는 4학년 이상에게 권장되지만 어린 학생들의 소규모 그룹은 추가 도움을 받아 이 차를 만들 수 있습니다.

수업 계획, 1페이지 프로젝트 시트 및 더 많은 프로젝트 아이디어는 STEM-Inventions.com 에서 찾을 수 있습니다.

 

1단계: 도구 및 재료

 

도구

• 아이들과 글로건
• 가위

자료

• (14) 크래프트 스틱
• (6) 크래프트 큐브(벌크 팩))
• 대형 플라스틱 바퀴 세트(바퀴, 다웰, 고무 밴드)
• (1) 플라스틱 빨대
• 마스킹 테이프
• (1) 4인치 케이블 타이
• (1) 1/8x7" #117b 고무 밴드
• 옵션: 작은 플라스틱 바퀴 및 1/8" 다웰
• 옵션: 금속 와셔와 같은 무거운 재료

2단계: 프레임 만들기

그림과 같이 2개의 공예 스틱 길이의 프레임을 만듭니다(그림 1).

그림과 같이 크래프트 큐브에 붙인 다음 동일한 프레임 패턴을 맨 위에 복제합니다(그림 2). 이 큐브 앤 스틱 구조는 프레임이 구부러지는 것을 방지합니다.

중요: 그림 2의 오른쪽에 있는 정육면체가 공예 막대기의 맨 끝에 붙어 있지 않은 점에 주목하십시오. 정육면체와 스틱 끝 사이에는 약 1/2인치의 간격이 있어야 합니다. 이것은 다음 단계에 필요한 프레임의 핵심 부분입니다.

그 틈에 접착제를 붙이지 않는 것도 중요합니다. 그림 1을 클릭하면 명확한 주석을 볼 수 있습니다.

 

3단계: 드라이브 휠 만들기

다음 단계는 고무 밴드를 바퀴에 부착하여 견인력을 추가하는 것입니다. 고무 밴드가 없으면 자동차가 관성을 극복하고 움직이기 전에 바퀴가 회전하여 에너지를 낭비합니다.

고무 밴드를 추가하는 것은 까다로울 수 있습니다. 가장 좋은 방법은 엄지손가락으로 바퀴 가장자리에 고무 밴드를 대고 다른 손으로 바퀴에 조심스럽게 끼우는 것입니다(그림 1). 4개의 바퀴 모두에 대해 반복합니다. 5학년 이하 학생을 위해 이 단계를 준비해야 할 수도 있습니다.

다웰에 바퀴를 끼운 다음 약 0.5인치 길이의 짚 두 조각을 자릅니다. 짚 조각을 다웰에 놓고 다른 바퀴를 끼웁니다(그림 2).

중요하다: 바퀴는 꼭 맞아야 합니다. 다웰이 느슨하게 맞으면 휠에 삽입하기 전에 다웰 끝에 마스킹 테이프 층을 감습니다(그림 3).

 

4단계: 드라이브 휠 부착

넉넉한 양의 뜨거운 접착제를 사용하여 짚 조각을 프레임에 부착하십시오. 프레임을 만들 때 생긴 틈에 빨대를 붙여야 합니다(그림 1 & 2). 이 배치는 차량이 감겨 있을 때 구동 휠이 프레임 가장자리에 당겨지도록 합니다. 구동 휠이 프레임의 다른 곳에 접착되거나 테이프로 붙어 있으면 감긴 고무 밴드의 힘으로 인해 찢어질 수 있습니다.

 

5단계: 유휴 휠 만들기

이번에는 4.5인치(11cm) 짚을 사용한다는 점을 제외하고는 마지막 단계와 마찬가지로 바퀴 세트를 만듭니다. 이 바퀴는 고무줄이 당겨지지 않기 때문에 프레임의 반대쪽에 테이프로 붙일 수 있습니다(그림 1).

이 휠의 목적은 마찰을 줄이고(지면에서 프레임이 끌리는 것에 비해) 약간의 무게를 추가하여 추진력을 높이는 것입니다. 이 바퀴는 또한 차가 똑바로 구르는 정도를 향상시킬 수 있습니다. 고무 밴드가 지면과 접촉하는 4개의 바퀴가 있으면 차가 옆으로 방향을 바꾸는 것을 방지할 수 있습니다.

중요: 네 바퀴가 정렬되어야 합니다. 즉, 다웰은 서로 평행해야 합니다. 그렇지 않으면 차가 옆으로 방향을 틀 것입니다.

 

6단계: 고무 밴드 부착

유휴 바퀴 근처의 히치 매듭을 사용하여 프레임 주위에 고무 밴드를 묶습니다(그림 1). 빨대에 묶지 않도록 하십시오. 그렇지 않으면 공회전 바퀴 다웰이 끼어 바퀴가 회전하지 않습니다.

케이블 타이를 구동 휠 다웰에 묶습니다. 가능한 한 세게 당긴 다음 초과분을 잘라냅니다(그림 2). 이것은 고무 밴드가 구동 바퀴에 부착되는 곳입니다. 다음 단계에서 케이블 타이가 미끄러지면 소량의 뜨거운 접착제를 바르십시오.

7단계: 바람을 쐬세요!

고무 밴드를 구동 휠 다웰에 연결합니다(그림 1).

다웰 주위에 고무 밴드를 감습니다(그림 2). 집게 손가락을 사용하여 고무 밴드가 드라이브 액셀에 여러 번 감길 때까지 드라이브 휠을 빠르게 원을 그리며 돌리는 것이 좋습니다(그림 3).

 

8단계: 속도 또는 거리로 이동하시겠습니까?

기본 자동차 디자인은 잘 작동하며 학생들에게 운동량, 에너지 변환 및 관성에 대해 가르칠 수 있습니다. 그러나 속도나 거리에 맞게 자동차를 전문화하려면 다음을 읽으십시오.

속도를 고려한 설계

• 자동차는 관성으로 인해 최대 속도에 도달하는 데 시간이 걸립니다. 관성은 물체가 움직임의 변화에 저항하는 경향입니다. 즉, 물체를 움직이는 데 필요한 에너지의 양입니다.
• 더 무겁고 무거운 물체는 더 많은 관성을 가지며 움직이기 시작하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다. 이 경우 초과 중량은 차량이 최고 속도에 도달하기 전에 이동하는 데 추가 에너지가 필요합니다.
• 따라서 빠른 차를 만들기 위해서는 가능한 한 가벼워야 합니다.
• 이를 위해 유휴 바퀴를 작은 바퀴로 교체하거나(그림 1) 프레임에 사용되는 일부 재료를 줄여 실험할 수 있습니다. 구동 휠은 크게 유지되어야 합니다. 작은 바퀴는 관성이 너무 적기 때문에 바닥을 잡고 차를 앞으로 나아가게 하는 대신 차가 풀릴 때 제자리에서 회전합니다.
• 또한 1개 이상의 고무 밴드를 사용하여 실험할 수 있습니다. 고무줄이 많을수록 저장되고 운동 운동으로 변환될 수 있는 전체 에너지의 양이 증가하며, 고무줄 1개와 같은 시간 동안 방출되는 에너지의 양이 증가합니다. 즉, 2+ 고무 밴드는 자동차를 더 빨리 가속할 수 있지만 너무 많으면 토크(회전력)가 너무 커서 바퀴가 견인력을 얻기 전에 제자리에서 회전하거나 프레임이 파손될 수도 있습니다.

거리를 고려한 설계

• 차가 영원히 가지 않는 이유는 마찰 때문입니다. 마찰은 두 물체가 서로 마찰하고 일반적으로 운동 에너지를 열로 변환하여 속도를 늦추는 것입니다.
• 자동차는 주로 회전하는 다웰이 빨대 내부를 문지르는 형태로 마찰을 발생시킵니다.
• 빨대 안에 뜨거운 접착제가 끼어 있는 것과 같은 과도한 마찰이 없다고 가정하면 자동차가 더 멀리 가려면 저장된 에너지를 더 효과적으로 사용해야 합니다. 더 많은 질량을 추가하면 이렇게 됩니다.
• 왜? 더 많은 질량을 추가하면 더 많은 운동량이 생성되며, 이는 물체가 현재 궤적을 계속 유지하는 경향입니다. 예를 들어, 구동 휠에 와셔를 추가하면 전체 질량과 추진력을 생성할 수 있는 잠재력이 증가합니다(그림 2).
• 추가 추진력은 속도를 줄이고 멈추기가 더 어렵기 때문에 피할 수 없는 마찰이 적어도 이전만큼 차량 속도가 느려지지 않습니다. 따라서 여분의 추진력은 자동차를 더 먼 거리로 "운반"합니다.
• 그러나 더 무거울수록 가속하는 데 시간이 더 오래 걸리고 운동량 = 속도 x 질량이기 때문에 자동차는 추가 추진력을 생성하기 위해 고속에 도달해야 합니다.
• 더 빠른 속도를 얻으려면 1개 이상의 고무 밴드를 사용할 수 있습니다(그림 2). 구동 휠이 더 무겁기 때문에 더 많은 견인력을 생성하고 추가 토크로 인해 미끄러질 가능성이 적습니다.
• 중요한 것은 바퀴에 추가 질량을 추가해야 한다는 것입니다. 프레임에 추가하면 다웰과 빨대 내부 사이의 마찰이 증가합니다. 이는 프레임의 무게가 다웰에 얹혀 있기 때문에 프레임에 질량을 추가하면 다웰의 무게가 더 무거워지고 마찰이 증가하기 때문입니다. 이것은 실제로 추가 무게가 없는 것보다 자동차의 성능을 저하시킵니다.

두 경우 모두 학생들과 함께 이 프로젝트를 진행하는 경우 실험과 관찰 학습을 장려하세요. 초기 아이디어가 기본 예제만큼 잘 작동하지 않더라도 이러한 실패는 당면한 물리학 원리에 대해 배울 수 있는 기회를 만들 것입니다.

 

9단계: 수업 계획 및 프로젝트 시트

이 프로젝트를 아이들에게 가르칠 계획이라면 첨부된 수업 계획과 프로젝트 시트를 다운로드하세요.모든수업계획과 마찬가지로 프로젝트 목표, 준비, 문제 해결 및 제안된 수업 계획이 포함되어 있습니다. 

프로젝트 시트를 다운로드하려면 이미지를 클릭한 다음 왼쪽 하단 모서리에 있는 다운로드 버튼을 클릭합니다. 또는 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 새 탭에서 이미지를 연 다음 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 이미지를 저장합니다.

프로젝트 시트는 5학년 이상의 학생들을 위한 보조 교사로 사용할 수 있습니다. 4학년 이하의 경우 자동차를 만드는 방법을 단계별로 보여준 다음 프로젝트 시트를 사용하여 단계를 상기시키는 것이 좋습니다. 학생 2명당 하나의 프로젝트 시트를 인쇄합니다.