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 일의 원리는 도구의 원리로써 일의 원리를 이해하면 도구를 사용하는 이유를 분명히 할 수 있다. 즉 일의 원리란 일(에너지)에 대한 이득은 없으나 힘의 이득을 볼 수 있다는 원리이므로 도구를 사용하는 목적은 작은 힘으로 큰 힘을 필요로 하는 일을 할 수 있다는 의미로 이해할 수 있다.

 유압기(Hydraulic system)도 일의 원리가 적용되는 기구나 기계속의 도구이다. [그림1]에 주어지는  굴삭기나 파워핸들, 차를 들어 올리는 유압잭, 착암기 등이 유압기를 적용한 예가 된다. 이외에도 자동차의 브레이크, 덤프트럭, 불도저 등에도 유압기가 적용된다.

 유압기의 원리를 이해하려면 먼저 파스칼의 원리를 알아야 한다. 파스칼은 '팡세'를 지은 학자로써 대기압을 연구하는 과정에서 파스칼의 원리를 발견하였다. 파스칼의 원리는 '밀폐된 공간에 유체(기체나 액체)를 채운 후에 외부에서 압력을 가하면 그 내부에 동일 압력이 고루 전달된다'는 것이다. 이때 압력은 밀폐된 공간의 모든 부분에 수직으로 골고루 작용한다. [그림2]의 (a)가 파스칼의 원리를 보여주는 실험이다. 아령 같은 통에 물을 넣은 후에 주사기 피스톤 같은 밀대로 밀어 버리면 내부에 압력이 고루 전달되기 때문에 뚫은 구멍으로 물줄기가 동일 압력을 받아 동일 분출 속도로 분출됨을 보여주고 있다.

 [그림2]의 (b)에 파스칼의 원리를 적용하면 유압기의 원리를 이해할 수 있다.  중력은 무시한다. 먼저 단면적 A1에 F1의 힘을 입력하면 유체에 F1/A1=P인 압력이 모든 유체에 고루 전달된다. 따라서 단면적 A2인 피스톤에 A2×P=F2의 힘이 작용한다.  이때 F2= (A2/A1)F1이 성립한다. A1<A2이므로 F1<F2 가 성립하여 입력된 힘 F1보다 큰 힘 F2를 얻을 수 있기 때문에 힘의 이득이 있다.

 그러나 일의 이득은 없다. F1의 힘으로 A1 피스톤을 d1만큼 밀어 내리며 일을 하면 A2 피스톤은 d2만큼 올라가게 된다. 유체가 비압축성으로 간주되기 때문에 부피 변화가 없을 것이므로 A1d1=A2d2가 성립한다.  따라서 F1이 한 일을 구하면 W=F1×d1=(A1/A2)×F2×d1= (A2d2/A2)×F2 = F2×d2   가 성립하여 결국 F2가 A2피스톤에 해준 일과 같아진다. 따라서 일의 이득은 없다. 

 [그림3]에 유압기 시스템을 주었다. 보통 기계에서는 유압기에 중금속 오일을 매개 유체로 사용한다. 윤활작용과 부식방지를 하면서 비압축성이 크기 때문이다. [그림3]에 주어진 유압기 시스템에서 펌프(pump)로 유체에 압력을 가하면 레버(Lever)의 조정에 따라 A를 통하여 피스톤 Pi를 위로 밀어 올리게 된다. [그림2]와 비교할 때 A의 단면적이 A1이 되며 Pi의 단면적이 A2에 대응한다. 따라서 Pi에 힘의 이득이 나타나게 된다.  반대로 레버를 작동하면 유체가 B를 통하여 유입되고 Pi에 힘을 가해 아래쪽으로 움직이게 한다. 보통 굴삭기의 팔에는 4개의 유압기가 달려 있는데 피스톤 Pi 부분을 4개 만들고 레버를 4개 만들면 각각을 조절할 수 있다. 당연히 펌프는 한 개면 충분하다.

   ------------------ by  Dajaehun