스프링과 스테이플러에 숨은과학

스프링

스프링은 나선형의 쇠줄이 코일 모양으로 감겨 늘어나고 줄어드는 코일스프링과 판 모양의 판스프링으로 나누어진다. 이 스프링들은 기계에 들어가면 세 가지 역할을 한다. 첫 번째는 어떤 물체가 이동되었다가 다시 제자리로 돌아오게 하는 기능이다. 예를 들면 문이 열렸다가 다시 닫히도록 문 상단쯤에 달린 스프링이나 뒤쪽을 누르면 샤프가 나오고 뒤쪽은 다시 올라오는 샤프 속 스프링처럼 말이다. 두 번째 스프링의 역할은 힘을 가하면 모양이 늘어나는 성질을 이용한 것인데 힘의 크기에 비례해서 모양이 늘어나는 것을 무게를 측정하는 저울에 이용했다. 스프링의 늘어난 길이로 무게를 알 수 있다. 세 번째는 에너지를 저장하는 역할이다. 스프링을 압축시키거나 잡아당길때 에너지가 필요한데 이 에너지는 원상태로 복구하는데 바로 방출되어버릴 수도 있지만 저장해둘 수도 있다. 그리고 이 저장된 에너지를 필요한 순간에 방출할 수가 있다. 

 

탄성 

스프링의 가장 중요한 성질인 탄성. 탄성은 물체를 이루고 있는 분자의 상호 작용에 따라 나타나는 것이다. 물질을 구성하고 있는 분자에는 두 가지 힘이 동시에 작용하고 있는데 서로 당기는 힘인 인력과, 밀어내는 힘 척력이다. 이 두종류의 힘이 같을 때 분자는 서로 일정한 거리를 유지할 수 있다. 이 상태가 정지 상태의 스프링인 것이고 압축시킨 스프링에서는 척력이 강해져서 놓는 순간 척력이 분자들을 밀어내며 스프링이 원래 상태로 늘어난다. 반대로 스프링을 잡아당기면 인력이 강해지고 놓는 순간 인력이 분자들을 끌어당겨서 스프링은 다시 수축해 원래 모양으로 돌아온다. 

 

스테이플러

집집마다 하나씩은 있는 스테이플러는 겉으로는 안 보이지만 스프링 장치가 안쪽에서 작용하는 도구이다. 그것도 코일스프링과 판스프링 두 가지가 모두 숨어있다. 스프링이 매거진을 밀어서 철침을 종이에 박힐 수 있게 공급하고, 한차례 철침 하나를 박고 나면 제자리고 돌아오게 한다. 스테이플러를 누르면 철침을 종이로 밀어내는 블레이드가 매거진쪽으로 내려가서 철침을 종이에 박는다. 그다음 철침의 뾰족한 부분은 바닥의 앤빌 부분에 닿아 양 끝이 구부려지며 종이에 단단히 고정되도록 한다. 철침을 종이에 잘 박은 다음은 리턴스프링이 작용한다. 리턴스프링은 이름 그대로 매거진과 블레이드를 원래 위치로 돌려보내는 역할과 함께 다음 침을 앞으로 밀어주는 역할을 한다.  

 

현가장치

자동차가 울퉁불퉁한 길 위에서도 편안한 승차감을 만들 때 현가장치가 작동한다. 바퀴는 길 표면에 따라 위아래로 움직이지만 차의 축과 차체 사이에 있는 스프링이 늘어나고 줄어들면서 충격을 흡수하면서 차체에 전달되는 충격이 줄어든다. 이때 스프링만으로는 반동으로 튀어버릴 수가 있어서 현가장치에는 완충 기능을 하는 제동장치(뎀퍼)가 붙어 있다 이 장치는 스프링의 운동을 느리게 해서 차와 차 안의 사람들이 위아래로 덜컹덜컹하는 것을 막는 역할을 한다. 완충기는 차축과 차체 사이에 자리 잡고 스프링이 신축하면 속에 있는 피스톤이 위아래로 움직인다. 그때 흠을 통해서 오일이 이동하고 피스톤의 운동은 느려진다. 소형차들은 바퀴마다 코일 스프링과 완충기가 달려있다. 자축이 경첩과 같은 지지대에 붙어있어 위아래로 움직일 수 있고 스프링과 완충기는 차체와 지지대 혹은 위시본의 사이에 고정되어 있다. 판스프링은 완충기와 함께 대형차들의 충격을 완화하기 위해 쓰인다. 튼튼한 판스프링과 완충기를 사용해 충격을 완화 시킨다. 이때 판 스프링은 강철판 여러 개를 겹쳐 놓은 것인데 모양이 조금 구부러져 있고 차에 사람이 탑승하면 구부러진 스프링이 펴진다. 차축이 판스프링의 중심 쪽에 붙어 있고, 완충기는 스프링의 끝은 차체에 고정되어 있다. 토션바는 강철 막대로 된 스프링이다. 비틀리는 힘을 제어하는데 막대의 한쪽에 비틀리는 방향의 힘이 가해지면 그 힘에 저항을 한다. 그 힘이 없어지면 토션바는 원래대로 돌아간다. 대부분의 차에는 앞바퀴의 자축 사이에 토션 바의 일종이 스태빌라이저를 고정해 두었다. 바퀴가 위아래로 움직일 때 회전하며, 급격한 코너링을 할 때 차가 기우는 것을 막아주는 역할을 한다.