새가 날개를 퍼덕이는 모습을 보며, 저장된 기계적 에너지만으로 그 움직임을 재현할 수 있을지 궁금해한 적이 있나요? 바로 그것이 제가 이 프로젝트를 통해 시도한 일입니다 — 완전히 작동하는 오니솝터 (새와 곤충처럼 날개를 퍼덕여 양력을 발생시키는 비행 기계)로, 전적으로 감아 놓은 고무줄의 힘으로 작동하며 제작 과정 어디에도 배터리, 모터, 전기를 사용하지 않습니다.

간략한 역사: 날갯짓 비행에 대한 오래된 꿈

사람들은 아주 오랫동안 하늘을 날기 위해 날개를 퍼덕이는 일에 매료되어 왔습니다. "ornithopter"라는 단어는 그리스어에서 바로 유래했습니다 — ornithos (새) + pteron (날개) — 그리고 이 꿈은 새가 움직이는 방식을 연구한 뒤 1400년대 후반에 날갯짓하는 비행 기계를 스케치했던 레오나르도 다빈치까지 거슬러 올라갑니다. 그의 설계 중 실제로 지상을 떠난 것은 하나도 없었지만, 그 발상은 수 세기 동안 이어졌습니다.

진정한 돌파구는 1870년대에 찾아왔습니다. 프랑스의 공학자 알퐁스 페노 는 놀라울 만큼 단순한 원리를 알아냈습니다. 고무줄을 팽팽하게 비틀면, 고무줄에 저장된 에너지가 기계를 날아오를 수 있을 만큼 오래 구동할 수 있다는 것이었죠. 그는 1871년에 고정익 모형으로 이 개념을 처음 입증했고, 몇 년 뒤에는 실제 고무줄 동력 오니솝터를 제작했습니다. 그리고 이 아이디어는 (말장난을 하자면) 큰 인기를 끌며 100년이 넘도록 사랑받는 장난감이 되었습니다. 실제로 페노 방식의 고무줄 비행 장난감은 어린 윌버와 오빌 라이트가 비행에 매료되게 만든 계기였습니다. 그들이 실제 비행기를 만들기 수십 년 전의 일이었죠.

실물 크기의 날갯짓 항공기는 결국 제대로 실용화되지 못했습니다. 고정익과 로터가 훨씬 실용적인 것으로 밝혀졌기 때문입니다. 하지만 작은 고무줄 오니솝터는 사라지지 않았습니다. 오늘날에도 이것은 다음과 같은 물리 현상을 직접 확인할 수 있는 가장 단순하고 순수한 방법 중 하나입니다: 비틀고, 저장하고, 풀고, 날아오르기.

이 제작물은 그와 같은 아이디어를 이어갑니다. 모터도, 배터리도 없습니다. 150년 전과 똑같이 손으로 감은 고무줄 하나만 사용합니다.

핵심 아이디어:

이 제작물의 중심에는 단순하면서도 우아한 메커니즘이 있습니다. 늘어나고 비틀린 고무줄을 풀면 고무줄이 되감기면서 중앙의 패들 (작은 크랭크 형태의 암)을 회전시킵니다. 이 패들이 회전하면 연결 장치가 작동하여 회전 운동을 날개의 위아래 날갯짓 운동으로 변환합니다. 이는 전통적인 기계공학에서 크랭크-슬라이더 메커니즘이 회전 운동을 직선 운동이나 진동 운동으로 변환하는 방식과 유사합니다.

그 결과, 가벼운 비행 모형이 완성됩니다. 패들/프로펠러를 여러 번 돌려 고무줄을 감고, 날개를 잡은 뒤 놓으면, 고무줄을 감는 동안 저장된 탄성 에너지만으로 날개가 퍼덕이며 (이상적으로는) 이륙하거나 앞으로 활공합니다.

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STEP 1. 준비물

재료 및 준비물

1. 아이스크림 막대 — 프레임과 동체 구조
2. 면봉 — 가벼운 지지봉/스페이서
3. 종이 클립 — 크랭크 메커니즘으로 구부려 사용
4. 대나무 막대 — 유연한 날개 스파
5. 플라스틱 튜브 및 구슬 — 원활한 회전을 위한 베어링/부싱
6. 스쿠비 끈/가는 철사 피복 — 연결부와 프레임 모서리 묶기
7. 폴리에틸렌 봉투 — 날개 막 재료
8. 실 — 연결부 보강 및 막 부착
9. 고무줄 — 주 동력원(탄성 에너지)
10. 접착제, Fevikwik - 더 튼튼한 연결부를 위해

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STEP 2. 주 프레임 성형 및 절단

이 단계에서 프레임이 본격적인 형태를 갖추기 시작합니다. 막대를 단순히 반으로 부러뜨리는 대신, 구조물에서 놓일 위치에 따라 각 조각을 특정 각도로 세심하게 잘랐습니다.

핵심 연결 부품 중 하나를 살펴보세요. 길고 납작한 막대가 짧은 수직 막대와 정확한 직각으로 만나 마치 알파벳 "L"처럼 보입니다. 이는 우연히 그렇게 된 것이 아닙니다. 수평 부품은 얇게 다듬고 한쪽 끝으로 갈수록 가늘게 만들었으며, 수직 부품은 연결부에서 더 큰 응력을 견뎌야 하므로 강도를 위해 약간 더 두껍게 남겨 두었습니다. 두꺼운 끝부분에는 작은 구멍 두 개를 뚫었습니다. 이것은 장식이 아니라 기능을 위한 것입니다. 나중에 종이 클립 크랭크나 연결 피벗이 이 구멍을 통과하여 부품이 단단히 접착되는 대신 자유롭게 회전하거나 접힐 수 있게 됩니다.

다른 막대들은 전혀 다르게 다듬었습니다. 일부는 길이를 줄이고 한쪽 끝을 둥글게 다듬어 거친 공장 절단면을 없앴습니다. 덕분에 실에 걸리지 않고 부품이 맞닿아 놓일 수 있습니다. 또 다른 막대들은 길고 가느다란 대각선 조각으로 잘라 한쪽의 뭉툭한 끝에서 가느다란 끝으로 점점 가늘어지게 했습니다. 이런 얇은 조각은 폭 전체를 그대로 둔 막대보다 훨씬 유연합니다. 이는 오니솝터에서 매우 중요합니다. 프레임의 일부는 계속되는 날갯짓 응력을 견디면서도 깨지지 않도록 약간 휘어질 여유가 필요하기 때문입니다.

이 단계의 핵심은 모든 막대를 같은 방식으로 자르는 것이 아니라는 점입니다. 각 막대는 맡은 역할에 따라 형태를 정합니다. 강도가 필요한 곳은 단단하게, 움직임이 필요한 곳은 가늘고 유연하게, 힌지나 피벗이 지나가야 하는 곳에는 구멍을 뚫습니다.

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STEP 3. 프레임 부품 붙이기

각 막대의 형태를 다듬었으니, 다음 작업은 막대들이 의도한 대로 실제로 맞물리는지 확인하는 것이었습니다.

이 과정은 느긋하고 인내심을 필요로 합니다. Fevikwik을 사용해 한 부품을 다른 부품에 맞대고, 각도를 확인하고, 면이 고르게 맞닿지 않으면 가장자리에서 얇은 조각을 조금 더 잘라 내고, 연결부가 깔끔하게 맞물릴 때까지 반복합니다. 예를 들어 L자형 브래킷 부품은 모서리에서 완벽하게 정렬되어야 했습니다. 그래야 나중에 고무줄의 장력으로 프레임에 힘이 가해져도 뚫어 둔 구멍이 정렬 상태를 유지하고 뒤틀리지 않습니다.

이 단계가 최종 비행에 얼마나 큰 영향을 미치는지는 쉽게 과소평가할 수 있습니다. 엉성하고 고르지 못한 연결부가 있는 프레임은 엉뚱한 곳에서 휘어 날개의 날갯짓 운동을 흐트러뜨립니다. 반면 단단히 맞춘 프레임은 에너지를 낭비하지 않고 크랭크의 운동을 날개로 깔끔하게 전달합니다. 따라서 접착하거나 실로 영구 고정하기 전에 모든 각도를 몇 번이고 확인했습니다.

이 단계가 끝날 무렵에는 각각 형태를 다듬은 모든 아이스크림 막대 부품이 서로 단단히 결합되어, 나머지 메커니즘을 지탱할 최종적인 단단하면서도 약간 유연한 동체를 이룰 준비를 마쳤습니다.

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STEP 4. 꼬리날개 만들기 — 하나의 "V" 형태

1. 가느다란 대나무 조각 두 개를 골랐습니다 — 대나무 막대에서 잘라 균일하고 가느다란 폭과 길이 130mm로 만들었습니다. 여기서는 꼬리가 가벼워야 하므로 일부러 가느다란 막대를 골랐습니다. 너무 두꺼우면 항공기 뒤쪽에 불필요한 무게가 더해져 균형이 흐트러집니다.
2. 아이스크림 막대에서 잘라 낸 작은 삼각형 조각 하나가 고정점이 되었습니다. 덕분에 두 대나무 끝부분이 불안정하게 막대끼리 맞닿는 대신, 단단하고 평평한 바닥 위에 놓일 수 있습니다.
3. 삼각형 바로 끝부분을 서로 연결해두 막대를 한 지점에서 고정하고 깔끔한 "V" 형태의 꼭대기를 만들었습니다.
4. 끝부분은 대칭으로 바깥쪽을 향해 벌어졌습니다 — 연의 꼬리나 다트의 깃털과 마찬가지로, 이렇게 넓게 펼쳐진 구조가 오니솝터가 흔들리거나 진로를 벗어나지 않고 곧게 날도록 유지해 줍니다.
5. 대칭을 다시 확인했습니다 — 양쪽 팔의 길이와 각도를 동일하게 맞췄습니다. 꼬리가 조금만 한쪽으로 치우쳐도 비행 중 균형이 흐트러지기 때문입니다.

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STEP 5. 꼬리에 전선을 연결하고 "깃털"로 감싸기

1. 종이 클립을 연결용 전선으로 구부렸습니다 — 꼬리를 본체에 직접 붙이는 대신, 종이 클립을 작은 고리와 전선 형태로 다시 구부렸습니다. 이것이 꼬리와 메인 프레임을 연결하는 부품이 되어, 꼬리를 단단히 고정하면서도 가볍고 조립하기 쉽게 해 주었습니다.
2. V자 꼭짓점에 전선을 고정했습니다 — 종이 클립 전선을 대나무 막대 두 개가 만나는 지점에 정확히 고정하고, 접합부 옆에 접착제와 Fevikwik을 사용해 단단히 붙였습니다. 구조적으로도 이 지점이 가장 튼튼한 꼬리 부분이므로, 프레임의 나머지 부분과 연결될 때 생기는 당기는 힘을 느슨하게 휘지 않고 견딜 수 있었습니다.
3. 대나무 V자 구조 위에 폴리에틸렌 시트를 씌웠습니다 — 비닐봉지 조각을 잘라 삼각형 프레임 위에 씌운 뒤, 양쪽 대나무 가장자리를 따라 접착했습니다. 이렇게 실제 꼬리 표면이 만들어졌으며, 가볍고 바람을 잘 받고 반복 비행에도 견딜 만큼 튼튼했습니다.
4. 폴리에틸렌에 깃털 같은 무늬를 손으로 그렸습니다 — 꼬리를 밋밋한 평면 플라스틱으로 남겨 두는 대신, 끝부분에서 바깥쪽으로 퍼져 나가는 선을 표면에 그려 실제 새 꼬리의 자연스러운 깃털 부채꼴 모양을 흉내 냈습니다. 기능적으로는 장식에 불과하지만, 비닐봉지 조각처럼 보이지 않고 훨씬 사실적이며 완성도 높은 꼬리가 되었습니다.

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STEP 6. 꼬리를 메인 프레임에 단단히 고정하기

꼬리와 전선 연결부를 조립한 뒤, 이 접합부를 영구적으로 고정하는 단계였습니다. 감아 둔 고무 밴드의 당기는 힘과 반복적인 날갯짓을 견딜 만큼 튼튼해야 했습니다.

1. 두 번째 종이 클립 한 쌍을 구부려 형태를 만들었습니다 — 이번에는 종이 클립 두 개를 서로 맞는 지그재그/고리 형태로 조심스럽게 구부려, 메인 프레임을 양쪽에서 잡아 주는 작은 한 쌍의 "크랭크"를 만들었습니다.
2. 새로 만든 두 크랭크 사이에 꼬리 연결 전선을 배치했습니다 — 앞 단계에서 꼬리에서 뻗어 나온 종이 클립 전선을 새로 만든 두 부품 사이에 끼웠고, 아이스크림 막대로 만든 메인 프레임의 뒤쪽 끝에 위치시켰습니다.
3. 세 부품을 실로 함께 단단히 감았습니다 — 메인 프레임의 끝부분, 두 종이 클립 크랭크, 꼬리 연결 전선을 실로 묶고 계속해서 여러 겹 감아 전체 접합부가 빈틈없이 움직이지 않도록 했습니다.
4. FeviKwik 한 방울로 밀봉했습니다 — 실을 단단히 감은 뒤, 감긴 접합부 위에 순간접착제를 조금 발라 모든 실을 즉시 고정했습니다. 그 결과 느슨하고 흔들릴 수 있던 연결부가 매우 단단한 접합부로 바뀌었습니다.

구부린 종이 클립 크랭크와 실, FeviKwik의 조합은 꼬리를 정확한 위치에 유지하는 핵심으로 밝혀졌습니다. 날개가 퍼덕일 때 생기는 진동이나 고무 밴드의 비틀림 힘으로도 이 접합부가 느슨해지지 않았습니다. 이는 매우 중요했습니다. 꼬리 연결부가 흔들리면 비행 중 오니솝터 전체도 함께 흔들리기 때문입니다.

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STEP 7. 날개 마운트와 메인 크랭크 설치하기

1. 면봉 막대를 2–3 cm 길이로 잘랐습니다 — 가볍고 매끄러우며 작은 마운트 슬리브로 사용하기에 적합했습니다.
2. 프레임 위쪽 모서리에 붙였습니다 — 나중에 날개를 연결할 회전축 역할을 하는 지점입니다.( 단단히 부착하기 위해 모래도 조금 사용했습니다 ).
3. 아래쪽 모서리용 크랭크를 만들었습니다 — 구슬을 끼운 플라스틱 튜브 조각과 축 역할을 하는 구부린 종이 클립으로 만들었습니다. 구슬은 마찰을 최소화해 부드럽게 회전하도록 하고, 고리 부분은 고무 밴드를 걸어 줍니다.
4. 몇 차례 다시 설계했습니다 흔들림 없이 부드럽게 맞도록 조정했기 때문에, 결론 단계와 일부 이미지에서 종이 클립과 구슬의 색이 서로 맞지 않을 수 있습니다.
5. 날개 마운트의 반대편에 크랭크를 배치했습니다 — 이곳에서 고무 밴드가 감겼다가 풀리면서 크랭크를 회전시키고, 그 움직임이 날개로 전달되어 날갯짓을 만들어 냅니다.

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STEP 8. 메인 날개 한 쌍 만들기

이 단계에서야 비로소 새처럼 보이기 시작했습니다. 동일한 날개 두 개와 Z자형 크랭크 두 개를 사용하고, 모든 부분이 완벽하게 대칭을 이루도록 접기 방법을 활용했습니다.

1. 대나무 막대 두 개를 각각 180mm로 자릅니다 — 날개 사이의 길이를 정확히 맞춰야 합니다. 몇 밀리미터만 달라도 비행 중 전체 균형이 흐트러지기 때문입니다.
2. 날개 크랭크 한 쌍을 Z자 형태로 구부립니다 — 양쪽 팔에 각각 10mm, 15mm, 20mm 및 13mm, 15mm, 20mm가 되도록 정밀하게 구부립니다 (참고:- 정밀도 문제로 가장 잘 맞도록 팔을 여러 번 만들었으므로, 마지막 단계에서는 색상이 달라질 수 있습니다).
3. 폴리에틸렌 시트를 가운데를 따라 한 번 접습니다 날개 윤곽을 그리기 전에—간단한 방법이지만, 두 개를 따로 눈대중으로 자르는 대신 한 번만 잘라 완벽하게 대칭인 날개 두 개를 만들 수 있습니다.
4. 폴리에틸렌에 날개 패턴을 그립니다 — 예술적인 세부 묘사를 더해 완성된 날개가 단순한 플라스틱 시트보다 실제 깃털에 가깝게 보이도록 합니다.
5. Z자형 크랭크를 대나무 막대에 부착합니다, 각 크랭크를 짝이 맞는 막대의 밑부분에 단단히 고정합니다.
6. 크랭크와 막대 조립체를 앞서 잘라 둔 이어버드 슬리브에 끼웁니다 — 이것이 회전축 역할을 하여, 각 날개가 고정된 접합부에서 단순히 휘는 대신 부드럽게 회전할 수 있게 합니다.
7. 전체 조립체를 주 프레임 위에 장착합니다, 두 날개를 위로 올라간 비행 자세로 고정합니다.
8. 폴리에틸렌 날개 피막을 대나무 프레임과 본체에 붙입니다, 막대, 크랭크, 슬리브, 날개를 하나의 연결된 구조로 고정해 마침내 모두 한 덩어리처럼 움직이게 합니다.

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STEP 9. 크랭크를 제자리에 고정하기

1. 일반 전선을 짧게 몇 조각 잘랐습니다 — 이 접합부에는 유연하거나 장식적인 재료보다 단단한 것이 필요했기 때문에 스쿠비 줄 대신 전선을 사용했습니다.
2. Z-크랭크 끝부분에 와이어를 장착했습니다 — 각 크랭크 암 끝부분에서 바로 구부려 고정하여, 크랭크가 제 위치에서 미끄러져 빠지는 것을 막는 작은 고정 핀 역할을 하도록 했습니다.
3. 직사각형 판지 두 장을 자르거나 오래된 직불카드/신용카드를 준비했습니다 — 프레임에 맞는 크기로 만들어 크랭크와 앵커 시스템이 회전할 수 있는 평평하고 튼튼한 표면을 제공하도록 했습니다
4. 판지에 적절한 구멍을 뚫었습니다 — 메인 고무줄 크랭크와 Z자형 날개 앵커에 정확히 맞도록 배치하여 각 축이 깔끔하게 통과하도록 했습니다.
5. 이 구멍을 통해 고정 와이어를 판지에 연결했습니다 — 이 단계의 핵심은 바로 이것입니다. 와이어가 Z-앵커와 판지를 모두 관통해 고리 형태로 연결되면서 간단하지만 효과적인 베어링 칼라를 만듭니다.
6. 전체 조립체를 단단히 고정했습니다 — 따라서 크랭크와 날개 앵커가 고무줄의 장력으로 회전하기 시작해도 헐거워지거나 정렬에서 벗어나 튀어나오지 않고 제자리에 안정적으로 유지됩니다.

참고:- 적합한 맞춤을 위해 서로 다른 판지를 사용했으므로 이미지의 색상은 다를 수 있습니다.

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STEP 10. 동력 공급, 테스트 및 비행

마지막 단계는 고무줄을 장착하고 실제로 날 수 있는지 확인하는 것입니다.

1. 메인 크랭크와 프레임 앵커 사이에 고무줄을 걸었습니다.
2. 손으로 크랭크를 감아고무줄이 단단히 꼬일 때까지 돌렸습니다.
3. 손을 놓고 지켜보니 고무줄이 풀리면서 크랭크를 회전시키고 양쪽 날개를 동시에 퍼덕이게 했습니다.
4. 가볍게 던져 출발시켜날개의 퍼덕임으로 기체가 앞으로 나아가게 했습니다.
5. 몇 차례 시험한 뒤각 비행에서 잘된 점과 잘되지 않은 점을 바탕으로 날개 각도와 고무줄 장력을 조정했습니다.

몇 차례 조정한 끝에 마침내 날아올랐습니다. 이는 앞선 단계에서 만든 모든 관절과 크랭크, 접착한 가장자리가 실제로 작동하는 고무줄 동력 오니솝터로 완성되었다는 증거였습니다.

참고: 아직 프로토타입이므로 비행 시간은 상당히 짧아, 한 번 감을 때 고작 몇 초 정도입니다. 크랭크 효율, 날개 면적, 프레임 무게를 개선하면 향후 버전에서 비행 시간을 분명히 늘릴 수 있습니다.

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원문: https://www.instructables.com/GARUDA-Rubber-Band-Powered-Ornithopter/