[도구의 원리 #4] 빗면

[도구의 원리 #4] 빗면

 

도구의 원리를 오랫동안 안 하다가 다시 시작하게 됐다. 그 이유는 바로 데이비드 맥컬레이의 도구와 기계의 원리라는 책을 알게 됐기 때문이다. 이 책은 책 리뷰처럼 하나의 글로 정리하기엔 너무 양이 방대해서 기존에 하던 대로 도구의 원리를 소개하는 형태로 책을 해체해보려 한다!

 

아무래도 도구와 기계의 원리이기 때문에 기본적인 물리학적 지식이 필요한 부분이 많다. 예를 들면 운동량을 계산하거나 일의 양을 계산하는 기본적인 법칙 등은 인지해야 하는 것 같다. 에너지 보존의 법칙이나 힘과 운동의 관계 등을 간략히 설명하곤 있지만 자세한 이해를 위해선 짚고 넘어가는 것이 좋을 듯하다. 그래서 학창 시절 슬쩍 배웠던 물리학 지식과 검색 능력을 동원해서 정리해봤다.

 

1. 일의 정의

우선 일의 개념부터 짚고 넘어가자. 우리가 일이라고 여기는 것과 물리에서의 일은 느낌이 다르다. 위키백과에서 일의 정의는 다음과 같다.

물체에 힘을 가했을 때 힘과 힘이 가해진 방향으로 움직인 거리를 곱한 물리량.

힘과 거리가 일을 결정하는 요인으로 작용한단다. 이 정도 알고 넘어가자.

 

2. 도구의 원리

앞서 '일=힘X거리' 임을 기억하자. 우리는 일을 편하게 하고 싶다. 거리가 좀 늘어나더라도 적은 힘으로 일을 수행해내고 싶을 수 있다. 이러한 원리가 적용되는 부분이 도르래다. 약한 힘으로 조금 오래 당기더라도 무거운 짐을 들어 올릴 수 있는 것이다.

 

또 다른 방법의 도구의 원리로는 힘의 형태를 바꿔주는 것이다. 피스톤 막대의 직선운동과 빙글빙글 도는 원운동을 적절히 위치시켜 유리한 방향으로 힘이 적용하게 도와줄 수 있다. 예를 들어 깡통 뚜껑 따개를 생각해보자. 깡통 따개의 손잡이를 꽉 잡고 핸들을 돌리면 칼날로 뚜껑을 쉽게 열 수 있다. 그렇다고 뚜껑을 여는 힘보다 적은 힘이 필요한 건 아니다. 그러나 내 손목의 힘을 깡통을 따기에 알맞은 힘으로 바꿔주는 수단으로 도구를 사용한 경우다.

 

3. 에너지 보존의 법칙

기계가 일을 할 때 쓰이는 에너지의 양은 기계를 움직이면서 사용한 에너지의 양과 같다. 차가 굴러가려면 그만큼의 연로를 때워줘야한다. 기계가 돌아가려면 그만큼의 에너지가 필요하다는 이야기다. 우리가 원하는 형태로 원하는 목적을 위해서 기계를 돌릴 뿐 에너지 자체는 변함이 없다. 이 정도 알아두자.

 

4. 빗면

이제 드디어 빗면과 관련된 이야기를 할 차례다. 앞서 우리는 힘X거리가 일이라는 것을 배웠다. 빗면은 거리를 늘리지만 힘을 줄이는 아주 좋은 예시다.

 

한 내각의 크기가 30도인 예쁜 직각 삼각형

이런 직각 삼각형을 상상해보자. 빗변의 길이가 높이의 길이보다 두 배인 예쁜 직각 삼각형이다. 삼각함수의 개념은 넘어가고 그냥 이 삼각형의 왼쪽 모서리에 돌을 끌어올린다고 가정해보자. 이때 왜 빗변을 통해 끌고 올라가는 게 그냥 바로 들어 올리는 것보다 편한지를 알아보자.

 

 

노란색 화살표의 두께가 힘의 크기고 길이가 거리라고 표현했다. 빗변을 따라 올라가는 화살표는 얇지만 길고, 짧은 변을 따라 올라가는 화살표는 두껍고 짧다. 즉, 빗변을 따라 이동했을 경우 힘을 절반만 사용해도 돌을 올릴 수 있다는 결론에 이른다. 이렇게 일의 크기는 같지만 힘의 크기는 작아지는 결과가 나온다. 물론 더 많은 거리를 이동해야 하지만 힘을 절반으로 줄였다는 데 의의가 있다.

 

이 빗면의 원리는 간단하지만 의미가 크다. 피라미드를 쌓을 때 빗면을 사용했고, 메머드를 잡을 때 빗면을 통해 돌을 굴러 올렸다. 문을 고정하거나 차를 고정하는 쐐기도 빗면의 원리를 이용한 물건이고, 좀 의아할 수 있지만 열쇠의 원리에도 빗면의 원리가 들어간다. 뿐만 아니라 도끼, 쟁기, 지퍼 등등 빗면을 이용한 다양한 물건들이 우리 실생활 곳곳에 숨어있다.

 

앞으로 이 도구들을 모두 파헤쳐 볼 예정이다. 이 내용들은 도구와 기계의 원리라는 책에서 참고해서 진행할 예정이다.

 

점점 물리와 가까워지고 있는 느낌이 썩 나쁘지만은 않다. 물리는 똑똑한 아이들만 하는 멋진 과학이라고 여기고 도전해보지 않았지만 지금 실생활에 적용되는 작은 것부터 시작해보려한다. 할 수 있다면 고등학교 물리 수준의 지식을 공부하면서 진행하고 싶다. 어쨌든 오늘은 여기서 마치겠다. 빗면의 원리. 지금까진 간단하게 이해해 재미없을 수 있지만, 쐐기의 원리를 생각할 때 부터 신기한 내용들이 많이 나오니 기대해도 좋다.