심원초등학교 6 학년 3 반 김 세 민

1. 자격루가 정확하게 시간을 측정하고, 자동으로 알려주는 원리에 대한 탐구 심원초등학교 6학년 3반 김 세 민

2. (1) 옛날 사람들은 어떻게 시간을 알았을까? 지금 같은 정밀한 시계가 없던 옛날 사람들은 해시계, 물시계등 자연을 이용한 벙법으로 시간을 알 수 있었지만 그리 정확하진 못하였다. ① 해시계 : BC 4000년 경 이집트의 아낙시만드로스가 발명한 그노몬(gnomon)이라는 해시계이다. 땅에 원과 눈금을 그리고 막대기를 꽂아 생기는 그림자로 시간을 파악하는 방법이다.  ② 물시계 : BC 500년 경 그리스에서 처음 사용하였다. 그릇에 작은 구멍을 뚫고 그릇 안쪽에 눈금을 그린 후물을 담고, 구멍으로 물이 새어 나가면서 남는 수면의 높낮이로 시간을 측정하었다. ③ 기계시계 : 1364년 프랑스의 ‘앙리드 윅’이라는 사람이무거운 추를 동력으로 사용한 기계시계를 만들었습니다. 이후‘C. 호이겐스가 1657년 최초의 진자시계를 만들었다. 그렇다면, 옛날 우리나라에서는 어떤 시계를 사용했었을까?

3. (2) 우리 조상님들은 어떤 시계를 만들었나? 삼국시대나 고려시대에는 원시적인 물시계나 해시계가 사용되었는데, 조선시대 세종대왕때에 이르러 비약적인 발전을 하게 된다. ① 앙부일구 : 세종 16년장영실등에 의해 만든 해시계이며 중국에도 없었던 발명품으로, 현재 보물 제845호로 국립고궁박물관에 관리되고 있다. ② 자격루 : 세종 16년에 장영실이 만든 자동 물시계로, 이전의 물시계를 보완하여 자동으로 시간을 알려주었다.  현재는 중종 31년에 다시 제작한 자격루의 일부가 국보 제 229호로써 보존되고 있다. ③ 혼천의 : 현종 10년 송이영이 자명종의 원리를 이용해서 만든 천문시계이다. 두 개의 추 운동에 의해 시간과 천체의 위치를 동시에 알 수 있었다. 현재 국보 제230호로 보존되고 있다. 이렇게 훌륭한 시계를 많이 만든 세종대왕님은 어떤 분이셨을까?

4. (3) 세종대왕님은 어떤 분이셨을까? 세종대왕님은 어려서부터 총명하고학문에 독실하고, 과학을 장려하셨다. 왕의 자리에 오른 후 훈민정음(한글)을 창제하셨고, 장영실같은 과학자를 우대하여측우기, 앙부일구,물시계(자격루) 등 훌륭한 발명을 많이 하셨다. <훈민정음, 측우기, 자격루, 궁중악기, 일성정시의등 수많은 발명품> 훈민정음, 해시계, 측우기는 많이 접해보았는데, “자격루”라는 물시계는 생소하여 한번 조사해 보고 싶었다.

5. (4) 자격루란 무엇인가? 자격루란 자동으로 시보를 알려주는 물시계란 뜻이다. 자격루가 없는 시절에는 해시계나 물시계를 보고 관리가 종이나 북을 쳐서 시간을 알렸는데, 관리가 졸거나 딴짓하면 시간을 놓치는 경우가 생기곤 했다고 한다. 이를 보완하기 위해 세종대왕이 장영실에게 지시하여 자동으로 시보를 알려줄 수 있는 시계를 만들라 하여 제작되었다. 현재 세종 때 만든 것은 모두 없어졌으며 유일하게 덕수궁에 남아 있는 국보 제229호는 1536년(중종31)에 장영실이 만든 것을 개량한 것이라고 한다. 이 시계는 조선 말기까지 표준시계로 쓰였다. 그렇다면 나도 자격루의 원리에 대해서 좀더 알아보고 나만의 자격루를 한번 만들어 보려고 한다.

6. (5) 자격루의 원리를 알아보자 자격루는 흘러내린 물과 부력이 일정한 시간에 쇠구슬을 밀어내게 하고, 구슬 이동장치를 거친 구슬이 지렛대 원리로 인형을 움직일 수 있도록 만들어 졌다. 시간 알림장치 시간 측정장치 쇠구슬이 떨어지면서 동판 한쪽을 치면 동력이 전해져 나무로 된 인형3구가 종과 북을 펴서 시보장치를 움진인다. 인형둘레에는 12신을 배치하여 시각을 알리도록 하였다. 세개의 파수호(큰 항아리)에서 흘러내린 물이 수수수호(원통항아리)로 들어가 살대가 떠오르면 부력이 지렛대와 쇠구슬에 전해진다.

7. (6) 나만의 자격루를 만들어보자 (설계) 나만의 자격루를 설계한다. ① 물그릇 세개를 배치하여 물이 일정한 속도로 흐르도록 한다. ② 메스실린더와 코르크 마개가 부력으로 떠오르도록 한다. ③ 코르크 마개가 구슬을 건드려 시보장치로 구르도록 한다. ④ 구슬이 지렛대에 올라가 연결된 인형이 종을 치게 만든다. < 세민이의 자격루 설계도 >

8. (6) 나만의 자격루를 만들어보자 (물흐르는 장치) 물그릇 세 개를 일렬로 배치하여 물이 일정한 속도로 빠져나오게 한다. ① 종이상자를 붙여서 계단을 만든다 ② 크기가 다른 물그릇 세 개를 각 단에 부착한다. ③ 그룻 사이를 호스로 연결하고 실리콘을 발라 새지 않도록 한다. < 일정한 속도로 물이 빠지는 이유 > 토리첼리의 식에 의하면 그릇에서 물이 빠지는 속도는 중력과 물의 높이에 비례한다. 결국 그릇에서 물이 일정한 속도로 빠져나오려면 물의 높이가 항상 일정해야 하므로, 그릇을 두세개 연결한 이유는 마지막 그릇의 물높이는 일정하도록 맞추려는 의도이다. 그렇게 함으로써 정확하고 일정하게 물이 흐르는 장치를 만들 수 있다.

9. (6) 나만의 자격루를 만들어보자 (구슬발사장치) 메스실린더 속의 코르크 마개가 구슬을 건드릴 수 있는 장치를 만든다. ① 매스실린더 속에 코르크 마개를 넣는다. ② 실린더의 맨 위쪽에 L자 모양의 뭉치를 고무줄로 부착하여 코르크 마개가 올라가면 움직이게 만든다. ③ L자 뭉치가 움직이면 고정했던 쇠구슬이 레일을 타고 흐를 수 있도록 한다. < 코르크 마개가 물에 뜨는 이유 – 아르키메데스 원리 > 물체가 물에 잠겼을 때 중력의 반대방향으로 함을 받게 되는데 이를 부력이라고 한다. 부력의 크기는 물에 잠긴 물체의 부피에 해당하는 물의 무게와 같다. 즉, 잠기는 만큼의 물의 무게 (=부력) 보다 물체가 무거우면 가라앉고, 가벼우면 뜨게 된다. 따라서 쇠는 가라않고, 코르크마개는 물에 떠서 L자뭉치를 움직일 수 있는 힘을 가지게 된다.

10. (6) 나만의 자격루를 만들어보자 (종치는 장치) 구슬이 내려와서 지렛대를 움직여 인형이 종을 칠 수 있도록 한다. ① 지렛대를 만들어서 한쪽에는 인형의 팔과 연결한다. ② 반대쪽에는 레일에서 떨어지는 구슬을 받을 수 있도록 작은 바구니를 부착한다. ③ 구슬을 받아 무거워져서 지렛대가 아래로 내려오면 바구니에서 구슬이 떨어져서 다시 위로 올라갈 수 있도록 한다. 올라갈때 인형이 종을 칠 수 있다. < 인형이 종을 치는 원리 > 지레는 축점(가운데), 힘점(구슬을 받는 곳), 작용점 (인형에 연결된 북채)로 구성한다. 힘점에 무게가 없을때는 작용점의 방향으로 지레가 기울어져 있다가, 레일을 타고 내려온 구슬이 힘점에 작용하면 지레가 힘점방향으로 움직였다가, 구슬이 받침에서 떨어지면 다시 작용점으로 이동하도록 지렛대를 조정하여, 결과적으로 구슬이 북채를 들었다 놓게 만든다.

11. (6) 나만의 자격루를 만들어보자 (전체 모습) 짜잔... 완성한 나만의 자격루 되시겠습니다. ① 물을부으면 차례차례 흘러내린다. ② 마지막 그릇에서 물이 일정하게 흐른다. ⑥ 지레의 힘으로 인형이 종을 친다. ④ 코르크마개가 건드리면 구슬이 내려간다. ⑤ 구슬의 힘으로 지레가 내려갔다가 다시 원위치 된다. ③ 코르크마개가 떠오른다

12. (7) 시간측정 실험 (실험순서 정하기) ① 물감을 섞은 물을 붓는다. ② 그릇에서 물이 일정하게 흐른다. ③ 코르크마개가 떠오른다 ⑤ 구슬이 레일을 타고 흘러내려온다. ⑥ 구슬이 지레에 올라갔다가 떨어지면 지레와 연결된 인형이 종을 친다. ④ 코르크마개가 올라와서 구슬을 지탱한 L자뭉치를 건드린다.

13. (7) 시간측정 실험 (첫번째 실험) <1차 실험> <실험결과 분석> 1) 물은 일정하게 흘러내린것으로 판단한다. 2) 30초 만에 종을 치고 싶었지만, 평균 34.5초만에 종을 쳤다. → 구슬을 치는 시간이 늦다. 3) 종친 시간이 최대 4초 차이가 난다. → 코르크 마개가 구슬을 지탱하는 L자뭉치를 건드려도, 구슬이 잘 안 내려가는 경우가 있다. <자격루 장치 수정> 1) 구슬을 치는 시간 연장 : 코르크마개를 조금 깍아내서 무게를 줄임 2) 구슬이 잘 안내려감 : 윗레일과 아래레일 사이를 조금 더 떨어뜨림.

14. (7) 시간측정 실험 (두번째 실험) <2차 실험> <실험결과 분석> 1) 평균 30.8초 만에 종을 쳤다. 2) 종을 친 시간의 차이는 최대 2초이다 - 목표했던 30초에 근사히게 종을 울렸다. - 5번 실험했을때 차이가 2초 이내이므로 비교적 일정하게 시간을 알려준다. - 종치는 소리가 너무 작았지만, 크기가 작으니까 어쩔수 없는것 같다. <실험 결론> 1) 비교적 30초에 근사하도록, 여러 번 실험에도 일정하게 종을 울렸다. 2) 나만의 자격루는 시간을 한번 알려주게 만드는 것도 어려운데, 진짜 자격루는 하루에 12번 정확한 시간을 알려주었다고 하니 정말 대단한것 같다.

15. (8) 창의적 산출물을 탐구하면서 느낀점 평소에 늘 시계를 보면서도 어떻게 만들어지는 것일까? 옛날 사람들의 시계는 어떤 것이었을까? 생각해 본적이 별로 없는 것같다. 그런데 이번 연구를 통해 시계에 대해 자세히 알아보고 특히 자격루를 응용하여 내 방법대로 만들어보니 조상님들의 뛰어난 지혜에 새삼 감탄하게 되었고, 시계에 대해서도 더 흥미가 생겼다.우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료를 이용하니 더 신기했던 경험인 것같다. 또 산출물을 설계하고 만들면서, 물의 압력과 속도, 부력의 원리나장치의 구동방법, 지레의 원리에 대해 다시 한번 머릿속에 정리할 수다.

16. (9) 자격루는 세계적인 명품이 될 수 있다. 원래의 자격루는 세월이 흐르면서 많이 소실되었기 때문에 지금은 박물관에 복원해 놓았다고 하는데, 박물관도 좋지만 시청앞이나 광장같이 사람들이 많이 다니는 곳에 설치하여 실제로 인형들이 북을 치고 종을 치는 모습을 재현해서 많은 사람들이 찾아보고 외국사람들도 찾아오는 관광지가 되면 더 좋을것 같다는 생각을 하였다. 영국의 빅밴이나 체코의 천문시계탑 같이 세계의 많은 사람들이 찾아보고 감탄하는 한국의 명소가 될수 있겠다고 생각한다. 영국의 빅밴이나 체코 프라하의 천문 시계탑이 있는 광장은 세계의 여행객들이 반드시 보러오는 관광명소라고 한다. 우리 자랑스러운 자격루는 박물관에 일부만 초라하게 보관되어 안타깝다. <보루각 자격루> <영국의 빅밴> <체코의 천문시계탑>