심원초등학교 6 학년 3 반 김 세 민

자격루가 정확하게 시간을 측정하고 ,자동으로 알려주는 원리에 대한 탐구

① 해시계 : BC 4000 년 경 이집트의 아낙시만드로스가 발명한

그노몬 (gnomon) 이라는 해시계이다 . 땅에 원과 눈금을

그리고

막대기를 꽂아 생기는 그림자로 시간을 파악하는 방법이다 . 

(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 .

② 물시계 : BC 500 년 경 그리스에서 처음 사용하였다 . 그릇에 작은 구멍을 뚫고 그릇 안쪽에 눈금을 그린 후 물을 담고 , 구멍으로 물이 새어 나가면서 남는 수면의 높낮이로 시간을

측정하었다 . ③ 기계시계 : 1364 년 프랑스의 ‘앙리드 윅’이라는 사람이 무거운 추를 동력으로

사용한 기계시계를 만들었습니다 . 이후‘ C. 호이겐스가 1657 년 최초의 진자시계를

만들었다 .그렇다면 , 옛날 우리나라에서는 어떤 시계를 사용했었을까 ?

① 앙부일구 : 세종 16 년 장영실등에 의해 만든 해시계이며

중국에도 없었던 발명품으로 , 현재 보물 제 845 호로

국립고궁박물관에 관리되고 있다 .

삼국시대나 고려시대에는 원시적인 물시계나 해시계가 사용되었는데 , 조선시대 세종대왕때에 이르러 비약적인 발전을 하게 된다 .

② 자격루 : 세종 16 년에 장영실이 만든 자동 물시계로 , 이전의

물시계를

보완하여 자동으로 시간을 알려주었다 .  현재는 중종 31 년에 다시

제작한

자격루의 일부가 국보 제 229 호로써 보존되고 있다 .③ 혼천의 : 현종 10 년 송이영이 자명종의 원리를 이용해서 만든

천문시계이다 . 두 개의 추 운동에 의해 시간과 천체의 위치를 동시에 알 수

있었다 . 현재 국보 제 230 호로 보존되고 있다 .

(2) 우리 조상님들은 어떤 시계를 만들었나 ?

이렇게 훌륭한 시계를 많이 만든 세종대왕님은 어떤 분이셨을까 ?

(3) 세종대왕님은 어떤 분이셨을까 ?

세종대왕님은 어려서부터 총명하고 학문에 독실하고 , 과학을 장려하셨다 . 왕의 자리에 오른 후 훈민정음 ( 한글 ) 을 창제하셨고 , 장영실같은 과학자를 우대하여 측우기 , 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 .

(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 제 229 호는 1536 년 ( 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 .

(5) 자격루의 원리를 알아보자

세개의 파수호 ( 큰 항아리 )에서 흘러내린 물이 수수수호 ( 원통항아리 ) 로 들어가 살대가 떠오르면 부력이 지렛대와 쇠구슬에 전해진다 .

쇠구슬이 떨어지면서 동판 한쪽을 치면 동력이 전해져 나무로 된 인형3 구가 종과 북을 펴서 시보장치를 움진인다 . 인형둘레에는 12 신을 배치하여 시각을 알리도록 하였다 .

시간 측정장치 시간 알림장치

자격루는 흘러내린 물과 부력이 일정한 시간에 쇠구슬을 밀어내게 하고 ,구슬 이동장치를 거친 구슬이 지렛대 원리로 인형을 움직일 수 있도록 만들어 졌다 .

(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 >

(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 .

(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 L 자 모양의 뭉치를 고무줄로 부착하여 코르크 마개가 올라가면 움직이게 만든다 .

③ L 자 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 L 자뭉치를 움직일 수 있는 힘을 가지게 된다 .

(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 .

(6) 나만의 자격루를 만들어보자 ( 전체 모습 )

짜잔 ... 완성한 나만의 자격루 되시겠습니다 .

① 물을부으면 차례차례 흘러내린다 .

② 마지막 그릇에서 물이 일정하게 흐른다 .

③ 코르크마개가 떠오른다

④ 코르크마개가 건드리면 구슬이 내려간다 .

⑤ 구슬의 힘으로 지레가 내려갔다가 다시 원위치 된다 .

⑥ 지레의 힘으로 인형이 종을 친다 .

(7) 시간측정 실험 ( 실험순서 정하기 )

① 물감을 섞은 물을 붓는다 . ② 그릇에서 물이 일정하게 흐른다 . ③ 코르크마개가 떠오른다

④ 코르크마개가 올라와서 구슬을 지탱한 L 자뭉치를 건드린다 .

⑤ 구슬이 레일을 타고 흘러내려온다 .

⑥ 구슬이 지레에 올라갔다가 떨어지면 지레와 연결된 인형이 종을 친다 .

(7) 시간측정 실험 (첫번째 실험 )

횟 수 종친 시간 참고

1 36 초 메스실린더에

물이 들어가는 순간부터

종을 치기까지시간측정

2 32 초

3 34 초

4 36 초

평균 34.5 초

<1차 실험> < 실험결과 분석> 1) 물은 일정하게 흘러내린것으로

판단한다 . 2) 30 초 만에 종을 치고 싶었지만 , 평균 34.5 초만에 종을 쳤다 . → 구슬을 치는 시간이 늦다 . 3) 종친 시간이 최대 4 초 차이가 난다 . → 코르크 마개가 구슬을 지탱하는

L 자뭉치를 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 .

(7) 시간측정 실험 ( 두번째 실험 )

횟 수 종친 시간 참고

1 30 초 메스실린더에

물이 들어가는 순간부터

종을 치기까지시간측정

2 31 초

3 32 초

4 30 초

5 31 초

평균 30.8 초

<2차 실험> < 실험결과 분석> 1) 평균 30.8 초 만에 종을 쳤다 . 2) 종을 친 시간의 차이는 최대 2 초이다

- 목표했던 30 초에 근사히게 종을

울렸다 . - 5 번 실험했을때 차이가 2 초

이내이므로

비교적 일정하게 시간을 알려준다 . - 종치는 소리가 너무 작았지만 , 크기가 작으니까 어쩔수 없는것 같다 .

< 실험 결론>

1) 비교적 30 초에 근사하도록 , 여러 번 실험에도 일정하게 종을 울렸다 . 2) 나만의 자격루는 시간을 한번 알려주게 만드는 것도 어려운데 , 진짜 자격루는 하루에 12 번 정확한 시간을 알려주었다고 하니 정말 대단한것 같다 .

(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 원리나

장치의 구동방법 , 지레의 원리에 대해 다시 한번 머릿속에 정리할 수다 .

(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 빅밴>

< 체코의 천문시계탑>

영국의 빅밴이나 체코 프라하의 천문 시계탑이 있는 광장은 세계의 여행객들이 반드시 보러오는 관광명소라고 한다 . 우리 자랑스러운 자격루는 박물관에 일부만 초라하게 보관되어 안타깝다 .

< 보루각 자격루 >