풍선의 과학적 원리 (펌)



# 풍선과학나라

 

1. 풍선의 의의

- 풍선이란 종이 고무, 비닐 등으로 공모양의 둥근 자루를 만들어 공기나 가스를 불어넣어 가지고 노는 장난감, 한때 수소를 가득 채운 고무풍선이 유행하였으며 다양한 색깔을 넣어 각종행사나 광고용으로  쓰기도 하였다. 풍선은 친 환경적 소재로써 인체에는 무해하며, 여러 가지 모양의 종류도 있다


2. 풍선과학에 대한 원리 및 재질

  

   풍선에 손 펌프로  공기를 불어넣으면  풍선 속의 공기분자들의  끊임없이 운동을 하고 그 분자는 크고 작     은 형태로 여러 방향으로  서로 충돌할 뿐 아니라 풍선 안쪽 벽과 모든 방향으로 공기가 같은 크기의 힘을     가하므로 그 변화에 따라 풍선은 팽창하게 된다.

   다시 말해서 풍선내부에 압력의 변화를 일으키고있는 수많은 분자들의 활발한 운동은 부피를 크게 만든다.

   풍선 내부에 공기압력의 증가로 늘어난 부분은 압력을 많이 받은 쪽은 많이 늘어나고 적게 받은 쪽은  조금 늘어나게 된다. 조금밖에 늘어나지 않는 부분은 입구와 끝 부분이며, 이 부분은 외부로부터의

   압력을 잘 견딜 수 있는 부분으로 나눠진다. 이 부분은 가는 철사로 찔러 통과하여도  터지지 않는다.

   풍선의 재질은 고무의 탄성력과신축성이 강하고  접촉면이 부드럽고 다르기 편하며 조밀한 분자력이 형성     되어 풍선내부의 공기가 밖으로 나가는 것을 막아주며 부담 없이 자유롭게 자신이 원하는 작품을 만들 수     있다.


3. 풍선에 대한 과학적 교육의 의미

   풍선에 대한 과학적 교육의 의미는, 풍선의 원리를 통해 누구나 쉽게 즐길 수 있는 놀이와 게임을 통하여     언제나 흥미로운 체험과 실험을 통하여 이해시키는 과학과정 중에 하나이다.

 과학은 힘들고 어렵고 안 되는 것을 쉽고 흥미 있는 놀이를 통해 이해시키므로 미래에 대한 꿈과 희망을  만들어준다.

   

   1) 유아에게는 꿈을 주고 훌륭한 놀이 감과 흥미의 요소를 만들며, 잠재적

       영재성을 키우고

   2) 어린아이에게는 창의력, 새로운 창조물의표현, 소 근육 발달에 대한 감성의

      표현을 주고, 과학의 기본 원리를 이해시키며

   3) 청소년에게는 심리적 안정감과 마음을 전달하는 도구로 활용되며, 호기심과

      의문점을 자극시킨다.

   4) 성인에게는 어린 시절의 동심의 연장과 아이들과의 세대적 공간을 좁혀 주며

       여가시간을 보다 효율적 으로 대체해주며

   5) 노인에게는 치매예방과 세대간의 간격을 좁혀주는 역할을 한다.

   

   이와 같이 풍선은 꿈같은 삶을 실현시키며, 희망적이며 생산적이고 무한한 꿈과 정서적인 안정을 가져다주고 풍선과학의 원리를 이해시키는 효과를 통해 물체에 대한 사고력, 창의력, 관찰력, 창작을 통해 발생  되는 예지력 과 감각기능을 발달시키는 여러 가지 체험적 과학 교육에 대한 자료가 된다.


4. 풍선에 대한 과학적  교육방법과 기본 요소

 1) 풍선은 과학적 근거를 토대로 실험하고 이해와 도전, 모험 그리고 개척정신을 키우는 것으로 과학 의 원리를 체험할 수 있는 교육이며,

 2) 풍선에 대한 과학적 교육방법으로 놀이와 작품을 통해 물질변화 와 공기변화를 통한 온도, 열 반응, 압력변화, 진공변화, 무게변화 등 재미있고 흥미롭게 체험을 통해 이해하는 교육이다.

 2) 풍선을 이용한 과학적 기본요소 

  (1) 풍선의 재질의 특성 : 탄력성 과 신축성 있으며 친 환경적 소재이다

  (2) 물질의 형태 : 풍선 속에 공기는 무형, 무색 , 무취이고 투명과 불투명 형태를

       나타냄.

  (3) 과학적 공간 : 풍선과 풍선사이의 공간으로 소리전달과 진동변화, 공간이동

       (물체의 변화)

  (4) 온도의 변화 : 열을 이용한 열기구이동 변화 ,열 반응, 열전도, 기류의 이동

  (5) 에너지 변화 : 운동에너지, 열에너지, 공기흐름, 세기, 바람(풍선에 바람을 넣다,

       뺀다)

  (6) 기체의 변화 : 분자이동, 공기의 이동( 보일, 샤를 법칙)

  (7) 압력의 변화 : 팽창과 수축, 피스톤법칙(압력 과 수축), 로켓트 원리, 공기 폭발,

       타이어, 수돗물

  (8) 마 찰 변 화 : 마른 천에 풍선을 문지르면 정전기가 발생되며, 자석원리도 알 수

       있다

  (9) 무 게 변 화 : 공기의 무게: 두 개의 풍선에 바람을 넣고, 한쪽 풍선에 바람을 뺀다.

                   물질의 무게, 무게의 비교,  중력과 무중력, 헬륨 가스와 공기 무게

 (10) 진공의 변화 : 풍선의 내부공기, 무중력, 태풍의 눈, 전파

 (11) 화학적 변화 : 물질의 감촉 ( 소다와 식초 = 이산화탄소),색의 변화

 (12) 풍선의 공기 : 산소, 헬륨, 탄소, 질소를 넣을 수 있다.

 (13) 풍 선 마 술 : 마술과 과학, 병 속 풍선, 풍선자석, 찔러도 터지지 않는 풍선

 (14) 풍 선 게 임 : 물 풍선 던지기, 풍선 터트리기, 공기풍선(배구, 농구 ,축구) 실내게임

 (15) 풍선 활용품 : 페트병, 유리병, 막대기, 가는 철사

 (16) 풍 선 장 식 : 동물, 꽃 모양, 벽장식,


이와 같이 풍선을 이용하여 과학 원리를 실험과 체험을 통하여 여러 가지 변화를 알 수 있으며 쉽고 재미있게 비교하며 이해하는 교육방법으로 진행할 수 있다


5. 재미있는 풍선과학나라 실험과 체험


 1) 풍선 속에 공기를 넣었을 때 어떻게 되나?

  ◎ 준비물 : 손 펌프(1). 풍선(1)

  (1) 따라 하기

    -고무풍선에 손 펌프로 공기를 불어넣는다.

     (2) 자연현상

   - 고무 풍선에 손 펌프로 공기를 불어넣으면 풍선 속의 공기분자들이 끊임없이 운동을 하며 분자들끼리  서로 충돌을 할 뿐 아니라, 풍선의 안쪽 벽과 모든 방향으로 공기가 같은 크기의 힘을 가하므로   풍선이 전체적으로 팽팽해진다.(커진다.)

  

  (3) 용어 해석

    ① 공  기 : 지구 대기의 하층부분을 이루고 있는 무색, 투명한 기체이며, 산소와 질소를 주성분으로 하여 소량의 아르곤, 헬륨 등 불활성 가스와 이산화탄소가 포함되어 있다

    ② 팽  창 : 고무풍선에 손 펌프로 공기를 불어넣으면 풍선 속의 분자들이 끊임없이 운동하기 때문에 커지는 현상.

    ③ 수  축 : 풍선 속의 분자수가 줄어들기 때문에 작아진다.

  (4) 생각하고 넘어가기 (공기의 변화, 진공의 변화)

    ① 터지지 않는 풍선에서 바람이 빠지는 이유 ?

      - 여러 종류의 풍선은 시간이 지남에 따라  모두 크기가 작아 지나, 작아지는

        속도는 다르다.

      < 예를 들어>

         ㉠ 공기가 가장 빠르게  빠진 풍선은 어느 것인가?

             -  헬륨을 담은 고무 풍선

         ㉡ 입으로 분 풍선보다 헬륨풍선이 공기가 빨리 빠지는 이유?  

             - 헬륨이 공기보다 작고 가벼워서, 분자운동이 더 빠르기 때문.

         ㉢ 향수를 넣은 풍선은 어떠한가? 

             - 약 3~4일 정도 후 공기가 감소

         ㉣ 풍선에 향수나 암모니아를 넣어 을 때 바깥에서 냄새가 난다면 그 이유는 ?

             - 향수나, 암모니아의 분자가 스스로 움직여 풍선표면의 구멍으로 빠져 나옴


(5) 풍선에 찬 공기를 가득 넣고 바람을 빼면 시원한 바람이 나온다

  

2) 공기가 무게를 가지고 있는지 알아보자.

  

 ◎ 준비물 : 스텐드, 막대, 고무풍선(2),  손 펌프(1), 셀로판테이프, 실

  

  (1) 따라하기

   ① 같은 크기, 같은 종류의 풍선 두개에 손 펌프로 같은 양의 공기를 넣는다.

   ② 비치볼의 공기 주입구 부분 고리에 실을 묶어 긴 막대 양쪽 끝에 매단다.

   ③ 막대 중간에 있는 실의 위치를 조정하여 수평이 되도록 조정한 후 실이 움직

       이지 않도록 셀로판 테이프로 붙인다.

   ④ 한쪽 풍선에는 공기를 넣고 다른 쪽 풍선에는 공기를 빼었을 때 막대는 어떻게

       되는지 관찰한다.

   ⑤ 공기가 빠진 풍선에 공기를 알맞게 넣어 다시 막대가 수평이 되도록 조절한다.

   ⑥ 한쪽 풍선에는 공기를 많이 넣고 다른 쪽 풍선에는 공기를 조금 넣었을 때

        막대는 어떻게 되는지 관찰한다.


  (2) 따라한(실험) 결과

   ① 한쪽 풍선만 공기를 막대의 변화 : 공기를 뺀 쪽이 위로 올라간다.

   ② 풍선에 공기의 양을 달리하여 넣은 막대의 변화 : 공기를 많이 넣은 쪽이 아래로

       내려간다.


  (3) 생각하고 넘어가기 (기체의 변화, 공기변화)

   ① 막대기 수평이 되지 않고 기운 까닭은 공기의 양이 다르기 때문이다.

   ② 공기가 많이 들어 있는 풍선이 더 무겁다.

   ③ 공기도 무게를 가지고 있다.


3) 헬륨 기체가 든 고무풍선이 하늘높이 날아가서 어떻게 될까?


  ◎ 준비물 : 헬륨(1), 고무풍선(1)

  (1) 따라하기

   ① 고무풍선에 헬륨가스를 가득 넣는다.

   ② 헬륨가스를 넣은 풍선을 날려보낸다.

  

  (2) 자연 현상

   ① 고무풍선이 하늘로 올라갈수록 공기가 희박하고 기압이 감소하여 풍선 속 기체의 부피가  증가 하다가 터지게 된다.


  (3) 사용 한 예

   ① 기후측정용 : 기상 관측 시 고무풍선을 날려 기후를 측정하기도 하며, 고층 대기의 기온이나 기압, 습도 등을 관측하는 기구로는 라디오 존데를 사용한다. 라디오 존데는 약30㎞까지 올라가 측정 하여 지상으로 송신하며 ,풍선이 터지면 낙하산에 매달려 지상으로 내려온다.

   ② 체육대회 행사 때도 헬륨풍선을 사용하며 하늘로 올라간 풍선은 자연현상으로 고무가 고공에서 분해되거나 지상에서 산화되어 사라진다.

   ③ 사람이 타는 열기구는 공기를 담는 주머니와 사람과 짐을 싣는 곤돌아 및 연료 탱크로 만들어 졌는데 연료는 액화 프로판 가스를 사용한다

  

 (4) 과학의 원리 (생각하고 넘어가기)

    ① 기체의 폭발 : 가연성인 기체, 또는 증기와 공기의 혼합물이 점화 또는 압축되어 폭발하는 현상인데 혼입하는 공기의 비율에 따라 폭발을 일으키는 일이다.

       예를 들면, 수소가 공기 속에 4~7% 혼입 되어 있는 경우에 점화에 의해 폭발하는데, 4%이하 또는 74%이상이면 폭발이 일어나지 않는다.

      ② 보일법칙 : 온도가 일정할 때 압력이 커지면 기체의 부피는 줄어들고 압력이 작아지면 기체의 부피는 늘어난다.

       ㉠ 압력과 기체의 부피변화

         - 온도가 일정할 때 일정량 기체의 부피는 압력에 반비례한다.

         - 기체의 압력이 커질수록 기체의 부피는 줄어들게 된다. 

              예)주사기의 피스톤을  눌렀다 떼면 다시 밀려 올라온다.

       ㉡ 온도와 기체의 부피변화

         - 일정한 압력에서 온도가 높아질수록 기체의 부피는 증가한다.

             예) - 찌그러진 탁구공에 뜨거운 물을 부으면 다시 팽팽해진다.

                 - 고속도로를 달리면 자동차의 타이어가 팽팽해진다

                 - 열기구를 가열하면 부피가 증가하여 하늘위로 올라간다.


                  

 4) 고무풍선의 크기 변화(손 펌프 없이 풍선 부풀리기 현상 ) ?

   

  ◎ 준비물 : 병, 풍선, 주전자, 비이커잔(큰 것)


  (1) 따라하기

   ① 병 입구에 풍선을 끼운다.

   ② 풍선 끼운 병을 비이커 잔에 넣고  병 주변에 더운물을 붓는다.

   ③ 병에 열이 전달될 때 병 내부에서 공기의 변화를 일으킨다.

  


  (2) 과학의 원리 (따라한 결과)

   ① 고무풍선을 띄운 병 주변에 뜨거운 물을 부으면 병 속의 공기분자 운동이 활발해져서 고무풍선이 부피 가 늘어난다.

   ② 이와 같이 공기의 부피는 온도가 높아질수록  증가하고 온도가 낮아지면 감소한다.

      기체의 부피는 온도에 의해 변한다.


   ◆ 다른 예)

     - 빈 유리병의 주둥이에 물을 바른 동전을 올려놓고 유리병을 양손으로 감싸고 있으면 유리병 위의  동전이 들썩이게 된다. 이것은 유리병 속의 공기가 체온에 의해 따스해지면서 공기의 부피가 증가하기 때문에 일어나는 현상이며, 참고적으로 동전에  물을 바르는 것은 유리병과동전 사이에 틈이 없게 하여 공기의 압력을 높이며,온도를 상승시키는 원인이 된다.

5) 풍선을 바늘로 찌르면 터지면서 폭발음이 나는 이유?

   

  ◎ 준비물 : 셀로판반짝이 , 바늘, 고무 풍선,손 펌프

  (1) 따라하기

   ① 풍선 속에 여러 가지 작은 색종이나 셀로판 반짝이를 넣는다.

   ② 풍선에 손 펌프로 공기를 가득 넣어서 묶는다.

   ③ 풍선을 날린 후 바늘로 찌른다.

  (2) 따라한 결과

   ① 풍선이 터지면서 폭발음과 함께 색종이나 셀로판반짝이가 공중으로 날리며 가라앉는다.

   ② 좁은 공간에 갇힌 풍선 속 공기가 바늘로 찌를 때 공기가 밖으로 나오려는 기체의 압력에 의해 넓은 곳으로 나오는 현상 때문에 큰 소리를 내면 터진다.

  (3) 지면에서의 현상

   ① 화산 폭발 : 화성암이 지하에 있던 용융의 물질이 뜨거운 마그마작용이 얇아진 지표를 뚫고 소리내서 나오는 것이 화산 폭발이다.


6) 풍선에 모자(컵을) 씌우기

  

  ◎ 준비물 : 풍선, 종이컵, 손 펌프


  (1) 따라하기

   ① 풍선에 손 펌프로 공기를 조금만 넣은 후 종이컵을 풍선에 대고 다시 공기를 팽팽하게 넣는다.

   ② 팽팽하게 넣은 풍선의 입구를 묶는다.

   ③ 종이컵을 잡고 풍선이 잘 붙어있나 확인하고 다시 풍선을 잡고 확인하여본다.

  

  (2) 따라한 결과

   ① 종이컵은 풍선에서 떨어지지 않으며 풍선 속에 있는 공기가 종이 컵 속의 압력에 의해 풍선을 끌어당겨 밀착되어 있다.

   ② 조금 불어넣은 풍선을 종이컵 속으로 들어가 있을 때 컵 속의 부피가 풍선을 불때 점점 컵 속의 공기  부피가 늘어나면서 압력이 작아지고 풍선표면을 잡아당기는 힘이 생겨 풍선표면에 붙어 있게 된다.


  (3) 과학의 원리 (압축 변화)

   ① 풍선과 컵이 접하는 부분인 접촉면은 풍선이 커짐에 따라 마찰력이 커지게 된다. 풍선이 팽창하면서 컵 의 접촉면을 누르면서 마찰력이 생긴다. 풍선으로 컵을 막으면 풍선과 컵 밑면사이의 압력은 낮아 지게 되고 압력은 밖에서 안쪽으로 작용된다 ,접촉면의 마찰력과 풍선, 컵 사이의 기압 차로 풍선으로 컵을 들고 이동 할 수 가 있다. 그 압력에 컵은 고무풍선을 잡아당기는 현상으로 압축이 발생된다.(풍선은 수축하려는 힘과 원상태로 가려는 탄성력이 있다)


7) 풍선이 찔러도 안 터지네요.

   

  ◎ 준비물 : 고무풍선, 철사, 손 펌프


  (1) 따라하기

   ① 고무 풍선을 손 펌프로 공기를 불어넣는다.

   ② 철사를 공기를 넣은 고무풍선 주입구 부분과 끝의 투명하지 않고 색이 진한 부분에 천천히 철사를 끼워

     통과시킨다.

 

    (2) 따라한 결과

   ① 풍선은 수축하려는 힘과 원상태로 가려는 고무 탄성력이 있어 공기가 새어나오지 않는다.

  

  (3)과학의 원리

   ① 풍선에 손 펌프로  공기를 불어넣으면  풍선 속의 공기분자들의  끊임없이 운동을 하고 그 분자는 크고  작은 형태로 여러 방향으로  서로 충돌할 뿐 아니라 풍선 안쪽 벽과 모든 방향으로 공기가 같은 크기의  힘을 가하므로 그 변화에 따라 풍선은 팽창하게 된다. 풍선 내부에 공기압력의 증가로 늘어난 부분은 압력을 많이 받은 쪽은 많이 늘어나고 적게 받은 쪽은  조금 늘어나게 된다. 조금밖에 늘어나지 않는 부분은 입구와 끝 부분이며, 이 부분은 외부로부터의 압력을 잘 견딜 수 있는 부분으로 나눠진다. 이 부분은 가는 철사로 찔러 통과하여도  터지지 않는다.

    

  (4) 다른 방법

   ① 풍선에 셀로판 테이프를 양쪽으로 붙이고 철사를 꽂아 관통을 시켜본다.

      위와 같은 방법으로 하여도 터지지 않는다.(바늘로 셀로판 붙인 곳을 찔려도 된다)

8) 페트병 속에 풍선 넣기

    

 ◎ 준비물 : 풍선(2), 투명한 페트병(2), 소형 손 펌프


  (1) 따라하기

   ① 2개의 페트병중 1개에 작은 구멍을 뚫는다.

    ㉠ 구멍이 없는 페트병에 풍선을 끼우고 소형 손 펌프로 공기를 넣는다.

    ㉡ 구멍을 뚫은 페트병에 풍선을 끼우고 소형 손 펌프로 공기를 넣는다.


       * ㉠,㉡에 어떤 차이가 있는지 관찰하자.

  (2) 따라한 결과

   ① 구멍이 뚫린 페트병 속의 풍선만 공기가 들어간다.


  (3) 과학의 원리 (진공의 변화)

   ① 구멍을 뚫지 않은 페트병은  풍선으로 내부공기를 막고 있어 풍선을 불수가 없다.

       다시 말하면 페트병의 내부압력에 의해 외부공기를 넣을 수가 없다.

   ② 구멍이 뚫린 페트병은 내부공기가 밑에 뚫린 구멍으로 공기가 유출하므로 외부공기가 유입이 가능하다


  (4) 다른 방법으로 안 뚫린 페트병에 풍선불어 넣기

   ① 발대 또는 볼펜 컵 데기에 풍선을 고무줄로 묶고 ,페트병 깊숙이 집어넣고 발대를 분다.  페트병 속에서 분 풍선은 커지고 페트병 내부의 공기는 밖으로 나온다. 


  (5) 생각하고 넘어가기

   ① 진공 : 물질이 전혀 없는 공간, 기술 용어로 진공은 일정한 용기안의 기체를 배기 시켜서 얻은 고도의  감압상태를 가리킨다.

[출처] 풍선과학나라|작성자 청개구리



# 풍선 강의

http://blog.daum.net/tqidea/14421266

# 대형 풍선
http://video.naver.com/2007122108000731436

# 풍선 공예
http://cafe.naver.com/taean32.cafe?iframe_url=/ArticleRead.nhn%3Farticleid=79

# 풍선과학
풍선속엔는 무엇이 들어있을까?
풍선이 옷을 벗었네?!
풍선폭죽, 멋있네요!
풍선이 선풍기예요
풍선이 모자를 썼어요
풍선로케트
앗, 풍선이 안터져요
풍선 바베큐
풍선을 따라다니는 알루미늄 깡통
풍성 시소놀이
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페트병 속의 풍선에 공기를 넣을 수 있을까?
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by 벤허77 | 2009/05/05 06:51 | 수학project | 트랙백

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