빗면에 숨은 과학원리

빗면에 숨은 과학원리

 

빗면에 숨은 과학원리

물리 법칙에 따르면 무거운 물체, 예를 들면 커다란 돌 같은 것을 높은 곳 까지 올리려면 일정한 양의 일을 해야 한다. 이때 일의 양을 줄일 수 있는 방법은 없다. 돌이 이동하는데 빗면을 이용하겠다는 생각을 하게 될 텐데 이것은 일의 양이 줄어드는 것이 아니라 일의 방법이 바뀌고 일이 쉬워지는 것이다. 이때 두 가지를 짚어가야 하는데 첫 번째는 사용하는 힘, 두 번째는 그 힘으로 물체가 이동한 거리이다. 힘이 늘어날수록 거리는 줄어들 테고 반대로 힘이 줄어들면 거리는 늘어난다. 간단한 예를 들어보자면 경사가 심한 길을 오르면 힘은 더 들지만 거리가 짧아진다. 하지만 완만한 길을 올라가면 힘은 덜 들지만  거리는 늘어난다. 둘 다 한 일의 양은 같은데 일의 크기는 '힘 X 거리' 의 값이다. 비탈길은 바로 빗면이다. 이 빗면의 원리는 아주 오래전부터 이용했다. 고대 이집트 사람들도 피라미드를 만들기 위해 빗면을 사용했다. 그 이후로도 빗면은 여러 가지로 활용되었는데 도끼, 쟁기, 지퍼, 자물쇠 등이 빗면을 이용한 도구이다. 나사에도 빗면의 원리가 사용되는데 이를 이용한 기계들 역시 빗면의 원리가 사용된 것이다. 

 

쐐기

윗부분이 넓고 밑 부분이 점차 좁아지는 일명 쐐기 모양은 빗면의 원리를 이용하는 대부분의 기계에서 나타난다. 생활에서는 열어둔 문을 움직이지 않게 고정할때, 문 밑 좁은 틈에 끼워 넣는데 이것이 좋은 예이다. 쐐기의 날카로운 끝을 문 아래 밀어 넣으면 문이 꽉 물려서고정이 된다. 쐐기는 다시 말하면 움직이는 빗면이다. 보통은 물체가 빗면 위에서 움직이는데 쐐기는 빗면 자체가 움직이고 물체를 들어 올리게 된다. 그 결과로 물체가 움직인 거리는 빗면이 움직인 거리보다 짧지만, 물체는 빗면을 움직일 떄의 힘보다 더 큰 힘으로 들리게 된다. 문에 사용된 쐐기의 경우 쐐기를 문 아래 틈으로 밀어 넣으면 문 도 쐐기를 아래로 밀게 된다. 이때 바닥과 마찰을 일으키기 때문에 쐐기는 문과 바닥 사이에 꽉 잡혀서 문이 고정될수 있게 된다.

 

힘과 거리의 관계

비탈길 빗면의 길이는 수직면의 두배일 경우  수직면으로 올릴 때 필요한 힘이 10이라면 물체를 빗면 쪽으로 올리는 데는 수직면으로 올릴 때 필요한 힘의 5가 된다. 길이가 두배로 늘어나면 힘의 크기는 반이면 충분하다.

 

마찰

마찰은 한 면을 다른 면에 비빌 때, 물체가 공기나 물 다른 기체나 액체 속을 통과하면서 생기는 힘이다. 이 힘 마찰은 항상 운동을 억제하는 역활을 한다. 마찰은 가까이 있는 두 면이 서로 잡아당기며 생기는데 두 면을 세게 누를수록 당기는 힘도 강해진다. 기계에도 마찰이 있다. 그래서 기계를 작동시킬 때 기계에 전달되는 에너지와 일한 양이 똑같지 않다. 이때 마찰로 인해 소모된 에너지는 열과 소리로 나타난다. 기계의 과열과 이상한 소리가 나는 것들은 작동에 문제가 있다는 증거이다. 기계를 설계하는 설계자와 기술자 들은 마찰을 줄이고 기계의 효율성을 높이려는 연구를 많이 한다. 하지만 반대로 이 마찰을 이용해서 기계를 만들기도 한다. 마찰이 없다고 생각해보자. 그렇다면 바퀴들은 구르다가 멈출 수 없게 될 것이고 마찰을 이용해 만든 제동 장치나 클러치들도 쓸모가 없어진다. 낙하산도 지금처럼 안전하지 않고 뚝 떨어지게 될 것이다. 자동차 타이어가 길을 달리거나 방향을 바꿀 수 있는 것은 마찰을 이용한 것이다. 타이어가 도로와 밀착할 때 생긴 마찰력이 엔진이 내는 힘을 자동차가 움직이는 힘으로 바꾸어 준다. 타이어는 눈, 비 등 어떤 상황에서도 길 표면과 밀착되어야 조종이 가능하다. 만약 길 위에 물이 얇은 막을 형성하고 있다면 마찰력이 없어져 구동력과 조종기능을 잃게 된다. 타이어가 노면에 닿는 트레드 부분은 물에 젖은 길 위에서도 마찰력을 잘 유지할 수 있기 위해 홈이 파여있다. 낙하산을 살펴보면 낙하산이 펴지면 중력에 의해 하강하고 있으므로 공기의 저항이 생겨 큰 낙하산이 큰 마찰력을 받는다. 처음 낙하산을 폈을 때는 마찰력이 중력보다 커서 낙하산이 느린 속도로 내려온다. 낙하산의 속도가 느려지면 마찰력 또한 중력과 같은 힘으로 감소한다. 그러나 마찰력과 중력이 같아지면 모든 힘의 합이 '0'이 되어 낙하산은 일정한 속도로 땅에 내려오게 된다.