학생들이 기피하는 과목이 수학과 물리이다. 그러나 물리는 어려서부터 몸으로 체험하는 과목이기 때문에 놀이와 연관시켜 음미한다면 너무나 쉽게 이해할 수 있는 과목이다. 우리가 흔히 접하는 놀이기구뿐만 아니라 도로, 건축물 등 시설과 축구, 야구, 농구, 탁구, 당구, 궁도 등의 운동도 물리와 연관되기 때문에 꼭 필요한 것이기도 하고 몸으로 느끼는 것이기에 이해하기도 쉬울 것이다.
롤러코스터와 STEAM 교육
중학교 3학년의 물리 단원에 나오는 ‘일과 에너지’는 식을 이용하여 계산하는 것이 주가 되기 때문에 대부분 학생들이 기피하는 단원이다. 그러지만 이 단원에 나오는 롤러코스터는 학생들에게 친근하고 이미 그 속성을 몸으로 체험했기 때문에 자신이 타 봤던 놀이시설을 연상시키면서 설명하면 쉽게 이해할 것이다.
속력은 어느 위치에서 가장 느리고 빠른지를, 이는 시험에서 단골로 나오는 위치에너지와 운동에너지간의 에너지 변환과 그 합에 대한 문제에 해당된다. 또 어디를 지나는 순간에 몸이 튕겨 나갈 것 같은 느낌을 받는지, 이는 원심력에 해당 되는 것이다. 그리고 이곳의 좌우 높이는 어떠한지, 이는 원심력에 의하여 바깥으로 뛰쳐 나가는 힘이 작용하기 때문에 이를 방지하기 위하여 회전하는 바깥쪽의 경사를 높이 둔 것을 관찰할 수 있을 것이다. 이는 곡선 도로 구간에서 느끼는 것과 같은 것이다.
진자운동(바이킹, 그네)과 STEAM 교육
어린 학생들은 바이킹을 한번쯤 이용했을 것이다. 용기가 나지 않아 바이킹을 타지는 못 했지만 그네는 타 봤을 것이다. 어른들은 회중시계의 진자 움직임을 많이 봤을 것이다. 또 군인들은 끊어진 길을 건너기 위해 밧줄을 탔을 것이다. 이것들의 운동 방식에는 공통점이 있다.
위치가 높은 곳 보다 낮아질수록 속력이 빨라지는 것을 느꼈을 것이다. 이것은 위치에너지가 운동에너지로 변환하였기 때문이다. 그러면 얼마나 빨라질 것인가. 경험적으로 알 수도 있고, 계산상 간접적으로 쉽게 알 수도 있다. 높이가 낮아진 만큼 속력이 증가한 것이기 때문이다.
위치에너지(mgh) + 운동에너지(1/2mv2)=일정
P1 + K1 = P2 + K2
∴ 낮아진 위치에너지 만큼 운동에너지로 변환
mgh + 1/2mv2
수평회전(뱅뱅이, 회전목마)과 STEAM 교육
초등학교 교정에서 흔히 접하던 뱅뱅이의 추억이 있을 것이다. 뱅뱅이를 돌리려고 마구 달리다가 뱅뱅이 회전 속도가 너무 빨라 뱅뱅이를 놓치거나 넘어진 경우가, 사람이 뱅뱅이를 돌리기 시작했지만 뱅뱅이는 가속이 붙어 점점 빨라지고 사람은 그렇지 못하여 뒤처지는 경우가 그러하다. 뱅뱅이 속력 변화의 가속도 운동과 사람의 등속도 운동의 차이를 실감했었을 것이다. 또 원심력 운동이다. 뱅뱅이를 타고 있자면 몸이 바깥으로 쏠리는 것을 느낄 수 있을 것이다.
회전목마를 생각해 보자. 타고 있던 말과 사람의 몸은 어떠한 변화가 있었는가? 회전체에 수직으로 매달려 있던 말과 사람의 몸은 원심력이 커져서 점점 수평으로 올라가던 것이 생각날 것이다. 이것이 바로 과학 시간에 배우는 원심력 효과이고 그 크기인 것이다.
수직회전(다람쥐집, 대관람차)과 STEAM 교육
다람쥐집 놀이기구를 타 봤을 것이다. 발을 구르다 보면 느끼는 것이 바로 수직회전 운동이다. 대관람차를 타 보면 느끼는 여러 가지 물리량이 있을 것이다. 내가 타고 있는 탑승칸은 항상 땅쪽으로 향하고 있다는 것을, 이것은 중력과 관계가 있는 것이다. 그리고 점점 높아질수록 보여지는 시야의 크기도 경험해 봤을 것이다. 이것은 높이에 따른 보여지는 거리와 면적이 일정한 함수 관계를 갖고 있다는 것이다. 그리고 대관람차가 100m 정도 거대한 것이라면 지구가 둥글다는 것도 느낄 수 있을 것이다. 그래서 높아질수록 그에 상응하는 시계가 엄청 커지는 것이다.
지렛대 원리(시소, 널뛰기)와 STEAM 교육
시소를 타 봤을 것이다. 아마도 놀이기구 중 가장 어렸을 때 경험했던 것일 것이다. 아빠는 나 보다 짧은 위치에 앉아 있던 것을, 중간에서 같은 거리에 앉았다면 어떻게 되었을까? 조금 더 자라서 널뛰기를 했던 기억을 생각해 보자. 형과 내가 할 때 누가 힘점으로부터 먼 거리에서 뛰어야 했는지 생각해 보면 지렛대 원리를 이해할 것이다. 이 원리를 이용한 도구는 무엇이 있을까? 무게를 재던 초기의 저울인 양팔저울이다.
이 양팔저울도 약간 응용만 하면 보다 무거운 무게도 잴 수 있을 것이다. 힘점을 이동시키면 가능할 것이다. 이러한 저울도 어른들은 보았을 것이며, 지렛대 원리를 조금만 응용하면 쉽게 만들 수 있을 것이다.
