일의 원리(1)_빗면

 

 물리학에는 일의 원리(principle of work)가 있다. 이때 일이란 인간 사회의 노동과는 다른 개념으로써 에너지의 다른 표현으로 볼 수 있다. 일이란 어떤 물체에 힘을 가할 때 물체가 이동을 하면 [힘x이동거리]에 해당하는 양을 힘을 가한 주체가 물체에 일을 했다고 하며, 물체는 그 일을 받았다고 한다.  아무튼 일의 크기인 [힘x이동거리]의 일을 받은 물체는 받은 일만큼 어떤 형태로든 에너지가 증가하게 된다. 그러므로 일은 양적으로 에너지이며 그런 의미에서 에너지(energy)의 정의를  '일을 할 수 있는 능력'이라고 한다.

 그런데 일의 원리는 에너지의 원리라기보다는 도구의 원리이므로 인간적인 노동의 원리로 오해할 수도 있다. 그러나 도구가 아무리 인간 중심적인 생활의 편리함을 위한 장비일 지라도 그 원리는 순전히 물리적인 것이다. 도구란 무엇인가? 그것은 무겁고 큰 힘이 필요한 일을 하는 경우에 도구를 활용하여 작은 힘으로 그 일을 하고자 할 때 사용하게 된다.  따라서 도구란 작은 힘으로 일 할 수 있도록 해주는 장비가 된다. 

 요즈음은 몇몇 영장류와 동물들이 돌이나 나뭇가지를 활용한 먹이활동을 한다고 알려져 있으나 그래도 도구를 제대로 사용할 줄 아는 동물은 인간뿐이라고 여기는 사람이 많다. 그로 인해 호모 사피엔스(Homo Sapiens:이성적 인간)를 호모 파베르(Homo Faber:도구적 인간)라고 부르기도 한다.

 우리가 사용하는 많은 생활의 도구에 몇가지 안 되는 도구의 원리들이 복합적으로 적용되어 응용되고 있는 것이다. 그 도구의 원리, 즉 일의 원리가 적용되는 한 예가 바로 '빗면'이다.

[그림1] 빗면의 물체에 작용하는 힘

  마찰을 무시할 경우 , 무게  mg인 물체가 경사각 θ인 경사면에 놓이면 빗면 방향으로 주어지는 힘이 mg sinθ로 작아진다. 물리적으로  무게 mg인 물체를 수직으로 들어 올리기 위한 최소한의 힘의 크기는 그 물체와 같다. 따라서 빗면에 놓인 무게 mg인 물체를 빗면을 따라 끌어올리기 위한 최소한의 힘의 크기는 mg sinθ가 된다. 여기서 sinθ값은 언제나 1보다 작으며 경사각 θ가 작을수록 작아지기 때문에 빗면으로 물체를 끌어올리기가 직접 들어 올리는 경우보다 더 작은 힘이 필요하다. 이 점이 빗면을 이용한 일의 원리가 적용되는 것이라고 할 수 있다.

[그림2] 빗면의 일의 원리를 이용한 예

 빗면의 일의 원리를 적용하는 예는 일상 생활에서 많이 볼 수 있다.  트럭에 짐을 올릴 경우에 널빤지로 경사면을 만들어 물체를 밀어 올려 싣는다던가, 피라미드를 지을 때 경사면을 이용해 돌을 끌어올렸을 것으로 추정하는 것도  빗면의 일의 원리에 그 추론의 근거가 있다.  나사도 빗면의 일의 원리를 적용하는 가장 좋은 예가 된다. 나사를 돌리는 힘은 작지만 나사가 진행하는 방향으로는 힘은 커진다. 즉, mg sinθ의 힘으로 나라를 돌리면 mg 크기의 힘을 얻는다. 이 때문에 나사로 되어 있는 병뚜껑을 돌려 막으면 병마개는 뚜껑을 돌린 힘보다 더 큰 힘으로 병을 막게 된다.  나사를 이용해 죄는 문제가 모두 빗면의 일의 원리가 적용된다고 보면 왜 나사로 죄어 놓은 제품이 견고한 것인지를 이해할 수 있다. 

   --------------- by  Dajaehun