예전에 방앗간에서 참기름과 들기름을 짤 때, 한 방울이라도 더 짜내기 위해 동네 어른들이 긴 파이프를 손잡이 삼아 압착기를 돌리던 모습이 떠오른다. 긴 파이프를 사용하는 이유가 작은 힘으로 큰 압착력을 얻기 위함인 것을 그때는 몰랐다. 기름틀은 회전력(Torque)을 나사를 이용해 아래 방향으로의 직선력으로 작용하여 깨를 강하게 압착하여 기름을 추출한다. 나사는 빗면의 원리가 작용하는 사실을 앞에서 살펴보았고, 회전력의 관계로 일의 원리가 설명된 지레의 원리를 생각하면 기름틀의 원리가 결국은 지레의 원리와 같은 현상임을 알 수 있다.
[그림1]에 우물물을 퍼올리는 축바퀴(Wheel & Axle)를 주었다. 축에 밧줄을 걸고 손잡이인 바퀴를 돌려서 작은 힘으로 무거운 물을 길어 올리도록 만들어진 것이다. 이 관계를 도식적으로 나타낸 것이 [그림1]의 우측 그림이다. [그림1]에서는 바퀴(Wheel)의 반지름이 R이므로 가하는 힘 f에 의한 회전력은 f×R이 되고 중심축에 대하여 시계방향으로 회전시키도록 작용한다. 반면에 축(Axle)에 작용하는 물체의 무게는 W×r의 회전력으로 중심축에 대하여 축바퀴를 반시계방향으로 회전시키도록 작용한다. 이 두 회전력의 평형 관계로부터 바퀴를 돌리는 힘을 구하면 f=(r/R)W가 된다. 여기서 r/R이 1보다 작기 때문에 힘의 이득이 있다. 만약 fR이 Wr보다 크면 물을 퍼올리는 경우가 될 것이며, Wr이 더 크다면 두레박이 내려갈 경우이다.
일에 대하여 생각하면 바퀴와 축이 동시에 1회전하므로 2πr×W=2πr×(R/r)f=2πR×f 가 성립하기 때문에 일의 이득은 없다. 이처럼 힘의 이득만 있고 일의 이득이 없는 도구의 원리로부터 에너지 보존이란 개념이 싹트고 결국 '전 우주의 총에너지는 에너지의 형태만 바뀔 뿐 총량은 일정하다'는 우주의 대원리가 도출되었던 것이다. 미미한 출발이지만 그 끝은 창대한 것이라 할 수 있다.
[그림2]에 축바퀴의 예를 들었다. 드라이버를 사용한 경험을 기억하면 손잡이의 반지름이 클수록 다시 말해 굵을수록 나사를 풀거나 조이기가 쉽다는 것을 잘 알고 있을 것이다. [그림2]에 보면 축바퀴에도 지레의 손잡이, 작용점(부하;Load), 중심축(받침점)이 주어짐을 알 수 있으며, 따라서 축바퀴의 원리가 지레의 원리와 동일함을 알 수 있다. 이외에도 자전거 페달과 기어의 관계, 자동차의 운전대 등이 축바퀴의 예가 된다. 어쨌든 영어로는 '바퀴와 축'이라고 부르는데 우리는 이를 바퀴축이라고 할 수가 없어서 '축바퀴'라고 말하고 있다.
---------------------- by Dajaehun
'생활도구의 원리' 카테고리의 다른 글
| 잠수함의 원리 (0) | 2021.01.14 |
|---|---|
| 일의 원리(5)_유압기 (0) | 2020.01.23 |
| 일의 원리(3)_도르래 (1) | 2020.01.10 |
| 일의 원리(2)_지렛대 (0) | 2020.01.05 |
| 일의 원리(1)_빗면 (0) | 2020.01.01 |
