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간이 풍동 실험장치의 특성 분석 및 교육적 활용에 관한 연구

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Alternative Title
A Study on the Characteristic Analysis and Educational Application of Simplified Wind Tunnel
Abstract
글라이더의 안정성에 관한 6차시의 영재 교재를 개발하였다. 역량 기반 교육과정의 취지에 따라 핵심역량을 함양할 수 있도록 교재를 구성하였으며, 학생들이 탐구와 토론을 통해 내용을 이해할 수 있도록 글라이더의 안정성을 보여줄 수 있는 실험을 개발하고 도입하였다. 개발한 교재는 에 제시하였으며, 2020년도에 영재교육종합데이터베이스(GED)에 탑재되어 영재 교육 현장에 투입될 예정이다. 영재 교재 제작을 위해 개발한 실험은 폼보드로 제작한 글라이더를 간이 풍동 실험장치에 띄우는 실험이었다. 실험을 개발하는 과정에서 성능은 다소 부족하더 라도 구성과 활용이 간단한 풍동이 필요하여 간이 풍동을 에어서큘레이터와 정 류격자로 구성하였다. 본 연구에서 활용한 간이 풍동장치로도 글라이더의 안정성 을 보여줄 수 있는 현상을 구현할 수 있었다. 교육 현장에서 충분히 활용 가능한 부분이 있어 에어서큘레이터와 정류격자로 구성된 풍동의 풍속 특성을 확인하는 실험도 진행하였다. 연무기를 이용하여 풍동장치에 의한 유동을 구현한 결과 정 류격자가 없을 때에 비해 바람이 직선으로 진행하였다. 또한 풍동 전면부를 16개 영역으로 나누고 각 영역의 거리에 따른 풍속을 측정하였다. 시험부 단면 풍속의 균질도는 28 %였으며, 최소 풍속은 1.7 m/s. 최대 풍속은 4.7 m/s였다. 일반적인 풍동에 요구되는 성능에는 미치지 못하지만 글라이더의 안정성을 보여주고 간단 한 양력을 발생시키는데에는 충분한 성능을 보여주었다. 영재 교재 개발을 위해 간이 풍동 실험 장치에 글라이더를 띄우고 피치, 롤, 요 운동 변화를 주었을 때 원래의 평형상태로 돌아오는 현상을 관찰하였다. 이 상태에서 글라이더의 평형상태가 안정적인지를 확인하기 위해 글라이더가 평형 상태로 돌아오는 운동을 미급감쇠 함수와 임계감쇠함수로 근사시켜 보았다. 피치
와 요 운동의 경우에는 미급감쇠 함수로 근사가 잘 되었으며, 롤 운동의 경우에 는 평형상태의 노이즈를 고려한 함수로 근사시켰을 때, RMSE값이 더 작게 측정 이 되었다. 롤 운동의 경우에는 비선형 곡선 맞춤을 위한 추가적인 분석이나 실 험이 필요하다. 본 연구에서 개발한 교재와 풍동 및 글라이더의 안정성을 보여줄 수 있는 실 험은 교육현장에서 충분히 활용이 가능하다.
A six-hour teaching material on the stability of gliders was developed. The material was organized to foster key competences on competency-based curriculum. And some experiments were developed and introduced to check the stability of gliders so that students can understand the contents through exploration and discussion. Developed materials are presented in Appendix and will be loaded in the GED (Gifted Student Database) at 2020. The experiment developed for making material for gifted children was to fly a glider in a simple wind tunnel. In the course of developing the experiment, we needed a simple wind tunnel device that was easy to compose and use. At last we could compose the wind tunnel with an air circulator and a rectifier. The simple wind tunnel device used in this study showed the stability of gliders. Also it showed us good characteristic to be utilized in the classroom. So we conducted experiment to check wind speed characteristics of the wind tunnel formed by an air circulator and rectifier. When the wind flow in wind tunnel device was visualized with a fog machine, the wind proceeded making more straight line, compared with the state of no rectifier. In addition, the wind speed was measured according to the distance of each area by dividing the front part of the wind tunnel into 16 areas. The homogeneity of the wind speed of the test section was 28%, and the minimum wind speed was 1.7 m/s. The maximum wind speed was 4.7 m/s. This wind tunnel is not enough to show performance required to the normal wind tunnel but it is sufficient to demonstrate glider stability and to generate the lift force. To develope the teaching materials for the gifted students, we observed the phenomenon of the gliders' returning to the original equilibrium state by putting them on a simple wind tunnel and by giving changes in pitch, roll and yaw motion. In order to verify that the equilibrium of the glider is stable, the motion of the glider's returning to equilibrium was approximated to the under-damping function and the critical damping function. In the case of pitch and yaw motion, under damping function was successful in approximation. In the case of roll motion, the RMSE value was smaller when noise function was added. For roll motion, additional analysis or experimentation is required for nonlinear curve alignment. The teaching materials, the wind tunnel device, and the experiments developed in this study are thought to be able to be directly used in the classroom.
Author(s)
양용준
Issued Date
2020
Awarded Date
2020. 2
Type
Dissertation
URI
http://dcoll.jejunu.ac.kr/common/orgView/000000009398
Alternative Author(s)
Yang, Yong Jun
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 과학교육학부물리교육전공
Advisor
강동식
Table Of Contents
I. 서론 1
II. 이론적 배경 6
1. 2015 교육과정의 핵심역량과 과학과 핵심 역량 6
2. 안정적 평형상태와 감쇠 조화 운동 8
1) 안정성의 정의 8
2) 과다감쇠(over damping), 미급감쇠(under damping), 임계감쇠(critical damping) 함수 8
3. 양력 10
4. 글라이더의 피치, 롤, 요 운동과 안정성 12
5. 주날개의 시위선과 평균공력시위선, 공력중심 13
1) 주날개의 시위선 13
2) 평균공력시위선 13
3) 공력중심(AC) 14
6. Excel 해 찾기 기능과 Logger Pro Ver 3.14를 이용한 비선형 곡선 맞춤 15
1) 비선형 곡선 맞춤(Non-Linear Curve Fitting) 15
2) Excel 해 찾기 기능을 이용한 비선형 곡선 맞춤 18
3) Logger Pro Ver 3.14를 이용한 비선형 곡선 맞춤 15
7. 풍동의 시험부 단면 균질도 20
III. 연구내용 및 방법 21
1. 글라이더의 안정성 교육을 위한 교재 제작 21
1) 교재개발의 취지와 방향 21
2) 글라이더 안정성 교재 개발 22
2. 에어서큘레이터와 정류격자를 이용한 오픈형 간이 풍동 실험장치 제작 23
3. 연무기를 이용한 풍동 실험 장치의 직전성 확인 25
4. 풍동 실험 장치의 풍속 특성 분석 27
5. 실험용 글라이더 제작 31
6. 주날개의 앞뒤 위치에 따른 피치 각도 변화 실험 32
7. 주날개의 시위선 각도 변화에 따른 롤 평형 변화 32
8. 피치, 롤, 요 운동에 대한 감쇠 운동 분석 34
IV. 연구결과 및 논의 39
1. 글라이더의 안정성을교육할 수 있는 영재 물리수업자료 개발 결과 39
1) 2015 개정 교육과정 물리학II 교과서에 제시된 안정성 개념 분석 39
2) 풍동장치에 띄운 글라이더를 이용한 글라이더 안정성 탐구 활동 개발 41
2. 유동가시화를 통한 풍동의 직진성 비교 분석 결과 및 논의 46
1) 정류격자가 있을 때와 없을 때의 풍동의 직진성 비교 46
2) 유선형 날개 주위의 유동 확인 및 양력에 관한 논의 51
3) 글라이더 위아래의 유동 관찰 54
3. 에어서큘레이터와 정류격자로 구성된 풍동의 풍속 특성 분석 결과 및 논의 55
4. 글라이더 주날개의 앞뒤 위치에 따른 피치 각도 변화 결과 및 논의 74
5. 글라이더 주날개의 시위선 각도에 따른 롤 평형 상태 변화 75
6. 피치, 롤, 요 운동에 대한 감쇠 운동 분석 결과 및 논의 82
V. 결론 및 제언 88
감사의 글 90
참고문헌 91
직선으로 활공하는 글라이더 만들기(GED 탑재 자료) 95
Degree
Doctor
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
양용준. (2020). 간이 풍동 실험장치의 특성 분석 및 교육적 활용에 관한 연구
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Faculty of Science Education > Physics Education
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