나사의 원리- 드릴과 나사송곳

나사의 원리

나사의 원리

 

나사

나사는 빗면이 변형된 것이다. 빗면의 원리를 보면 빗면은 힘과 거리의 관계를 변화시킨다. 거리가 멀어지면 힘이 적게 들어가고 길이가 짧아지면 많은 힘이 들어간다. 볼트에 너트를 넣고 돌리면 짧은 길이인데도 많은 회전이 필요하다. 나사산이 완만하고 길게 만들어져 있기 때문이다. 볼트와 너트는 큰 힘으로 물체를 조여서 물체와 물체를 서로 단단하게 고정한다. 이때 볼트와 너트가 느슨해지지 않도록 마찰이 막아준다. 반듯한 빗면을 가진 것은 쐐기로 잘 사용되는데 빗면이 하중에 영향을 미쳐서 물체를 들어 올리게 된다. 나선의 빗면도 쐐기와 같은 원리로 작용하는 것이다. 나사는 회전하면서 물체 속으로 파고 들어가는 성질을 가진다. 볼트와 너트처럼 돌리는 작동력이 증폭되어 큰 힘으로 나사가 돌아간다. 이 힘은 물체로 전달되고 나사가 물체 속에 들어가게 하는 것이다. 이때 나사산과 그 둘레의 물체 사이에는 마찰이 생긴다. 나사산이 길고 물체 사이에서 생기는 힘이 세어서 마찰도 매우 크다. 이런 마찰로 마사가 물체 속에 박혀 있을 수 있다. 나사못을 살펴보면 나사산의 회전으로 나무에 큰 힘이 가해지고 나무속으로 파고들게 된다. 이때 드라이버가 나사못의 도는 힘을 더 크게 해주는 역할을 한다. 볼트와 너트는 그사이에 물체가 센 힘으로 고정되는데 지레 작용하는 스패너로 쉽게 조일 수 있다. 정비소에서 손쉽게 자동차를 들어 올리는 나사식 잭을 살펴보자. 이 잭은 나사의 원리를 이용해 자동차를 들어 올리는데 자동차를 올리고 싶은 높이의 50배가 되는 길이만큼 손잡이를 돌려서 차를 올릴 수 있게 된다. 코르크 따개는 나사못처럼 코르크 속을 파고든다. 코르크가 부서지지 않고 병을 빠져나올 수 있게 나선형으로 제작하였다. 손잡이는 회전력이 향상할 수 있으면서 코르크를 빼낼 때 잡기 편하게 만들어졌다. 수도꼭지에서 물이 나오는데 그 물은 센 압력으로 밀려 나온다. 이 물을 나사의 원리를 이용하여 작은 힘으로도 물의 압력을 이겨내며 물이 나오는 양이 조절되기도 한다. 손잡이에 있는 축바퀴의 도움을 받아 손잡이를 돌리면 안쪽의 와셔가 오르내리면서 조절이 된다. 조여지면 마찰은 나사산에 작용하고 나사의 느슨해짐을 막는다. 수도꼭지의 나사산은 제법 경사가 큰 편이라 약간만 돌려도 물의 양이 조절된다. 

 

드릴과 나사송곳

드릴과 나사송곳의 나사는 깎아낸 부분에서 나온 찌꺼기를 밖으로 나르는 역할이다. 드릴은 날카로운 끝으로 재료를 깎으면서 길을 내서 앞으로 가고 깎인 찌꺼기는 나사의 홈을 통해 뒤로 나온다. 돌보송곳은 일반적인 구멍보다 큰 구멍을 뚫을 때 사용하는 핸드드릴인데 일직선 모양이 아니라 중간 부분이 디귿 모양으로 굽어 있어서 큰 지레의 역할을 한다 그 지레 역할로 날 끝에 더 큰 힘을 보낼 수 있다. 핸드드릴에는 베벨 기어가 달려있어 빠른 속도로 돌 수가 있다. 아래쪽의 베벨기어가 회전력을 전달하고 위에 있는 것은 자유롭게 회전할 수 있다. 핸드 드릴은 빠른 회전이 장점이지만 큰 힘을 내는 데는 무리가 있다. 이제는 각 가정에도 많이 보급된 전기드릴은 기어를 써서 날 끝을 아주 빠르게 돌릴 수 있다. 그리고 단단한 물질에도 날을 박아 넣을 수 있기도 하다. 민서는 고기를 다지는 기계이다. 손잡이를 돌리면 나선이 돌아서 고기를 회전 날 있는 곳으로 운반한다. 회전 날은 운반된 고기를 썰어낸다. 손잡이의 축바퀴와 나선의 작용이 만나 손잡이를 돌리는 회전력이 향상돼서 아주 질긴 고기도 문제없이 다질 수 있다. 건설용 대형 드릴을 본 적이 있는가? 공사 현장에서 지반에 구멍을 뚫을 때 사용하는데 드릴을 가동하다가 나선 사이에 흙이 가득 차면 드릴을 들어 올려서 흙을 제거한 다음 다시 드릴로 땅을 판다. 터널굴착기는 흙이나 크게 단단하지 않은 바위를 뚫을 때 사용한다. 회전 날이 앞에서 굴을 파고 들어가면 굴착기가 뒤에서 굴이 무너지는 것을 막기 위해 천장을 받친다. 회전 날에 의해 부서진 흙과 돌 들은 컨베이어 벨트에 실어서 뒤로 보낸다. 콤바인은 곡식을 베면서 바로 탈곡까지 하는 두 가지 기능이 있다. 콤바인 한 대만 있으면 넓은 논밭도 작물을 수확하고 곡식을 털어 짚단으로 만들기까지 종합적인 일을 수행한다. 콤바인은 여러 개의 나선 장치를 이용해 털어낸 알곡을 기계 속으로 운반한다.