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 일의 원리가 도구의 원리라고 설명했다.(2020/01/01 - [생활도구의 원리] - 일의 원리(1)_빗면)    인간이 도구를 사용하는 근본 목적이 작은 힘으로 큰 힘을 필요로 하는 일을 하고자 하기 때문이다. 빗면에 이어 지렛대도 일의 원리가 적용되는 중요한 예가 된다.

 [그림1]을 보고 각각의 경우가 서로 동일한 원리로 작동되는 도구라는 사실을 이해하기는 쉽지 않다. 가위와 펜치는 모양이 유사해서 무언가 같은 원리가 작용할 것으로 보이기는 하지만 시소나 지레(lever) 그리고 가위와 펜치가 유사성이 있다고 일견 눈치를 채기는 쉽지 않다. 더 나아가 여닫이 문고리의 위치가 문의 돌쩌귀에서 멀수록 문을 여닫기가 쉬운데 즉, 작은 힘으로 문을 여닫을 수 있는 문제와 [그림1]의 도구의 원리가 일맥상통한다는 사실을 이해하기는 더욱 어려운 일이다.

 일의 원리는 간단히 말해서 도구를 사용함으로써 힘의 이득은 볼 수 있으나 일의 이득은 없는 원리로 정리할 수 있다. [그림2]에 지렛대를 주었다. O점에 받침점(flucrum)을 놓고 지레를 걸친 다음, B점(작용점: load)에 무게 W=mg(질량 x중력가속도)인 물체를 올려놓은 후,  손으로 A점(손잡이: effort)에 F의 힘을 가해 물체를 B' 위치로 들어 올리는 일을 한다. 이때 지렛대는 받침점 O를 중심으로 시계방향으로 회전하는 구조가 된다. F는 지레를 시계방향으로 회전시키는 힘으로 작용하고 무게는 반시계 방향으로 지레를 회전시키는 힘으로 작용한다. 이 두 힘의 회전력(Torque)이 평형을 이루는 관계로부터 F의 크기를 구할 수 있다.  F×a = W×b로부터 F=(b/a)W가 성립한다. 이때 b/a가 1보다 작기 때문에 물체의 무게 W보다 손잡이에 가하는 힘 F가 작아도 물체를 들어 올릴 수 있음을 이해할 수 있다. 즉 힘의 이득이 있다. 그러나 일의 이득은 없다. F가 하는 일은 F×(AA')이고 물체가 받은 일은 W×(BB')인데, AA':BB' = a:b 가 성립하므로 F×(AA') = (b/a)W×(a/b)(BB') = W×(BB') 이 되기 때문에 일의 이득은 없음을 알 수 있다.  

  [그림3]에서 보는 바와 같이 지레의 종류에 3종류가 있다. 받침점과 손잡이와 작용점의 위치를 바꿈으로써 지레의 종류가 달라진다. 하나 주의할 점은 3종 지레만은 힘의 이득이 있지는 못한 지레이다.

 제 1종 지레에 속하는 도구는 가위, 조정경기의 노, 가위, 손저울, 시이소오, 삽을 발로 땅에 꼽고 제칠 때 등이 있으며, 제 2종 지레를 적용한 도구로는 병따개, 호두까기, 커터, 손톱깎이의 손잡이 부분 등이 있고, 제 3종 지레에 속하는 도구로는 손톱깎이의 몸통부, 젓가락, 낚싯대, 집게, 핀셋, 삽으로 흙을 퍼 올릴 때 등이 있다. [그림4]에서 보는 바와 같이 굴삭기에도 지렛대의 원리가 적용된다.

  지금의 이탈리아 시실리섬에 있었던 씨락쿠사라는 나라에 살았던 아르키데메스가 '나에게 적당한 받침점과 지렛대를 주면 지구도 들 수 있다.'고 주장했다는 말이 전해져 오는데, 아무리 지렛대로 힘의 이득을 볼 수 있다고 할지라도 절대로 지구를 들 수는 없다. 

  ------------------ by  Dajaehun