지레의 원리-3가지 지레와 복합지레에 대해 알아봅니다.

지레의 원리

 

지레의 원리

지레는 받침점 위에 놓여있는 막대를 말한다. 우리가 놀이터에서 볼 수 있는 시소의 형태이다. 지레는 한쪽을 누르거나 올리면 지레가 움직여서 반대쪽 끝에서 반대의 운동이 일어난다. 이 때 가하는 힘은 작동력 이라고 한다. 지레가 움직여서 반대쪽 끝에서 들어 올려지는 짐이나 이겨내는 저항을 하중이라고 한다. 지레에서 힘을 어느 지점에 가했는지는 아주 중요하다. 받침점으로부터 멀수록 작은 힘 ㄹ만으로도 하중을 움직일수가 있다. 이때 하중을 들어 올리기 위해 작동력을 가해서 움직여야 하는 거리는 더 길어진다. 빗면과 마찬가지인데 거리가 늘어나는 대신에 힘은 적게 드는 것이다. 거꾸로 힘을 많이 들이고 거리가 줄어드는 편을 택하는 지레도 있다. 지레에 하중이나 작동력을 가했을 때 움직인 거리는 힘이 가해진 위치가 받침점에서 얼마나 떨어져 있느냐에 따라서 결정이 된다. 작동력과 하중에 따른 지레의 원리에 따르면 작동력 X 받침점과 작동력 사이의 거리는 하중 X 받침점과 하중 사이의 거리와 같다. 

 

 

지레의 세 가지 형태

지레 1

첫 번째 종류의 지레는 받침점이 항상 작동력과 하중 사이에 놓여있다. 받침점이 정중앙에 있는 경우 지레는 수평이 되고  작동력과 하중은 같아지며 양쪽이 위아래로 움직이는 거리는 같아진다. 만약 받침점에서 작동력 까지의 거리가 받침점에서 하중까지의 거리보다 두배가 멀 경우 작동력은 하중이 움직인 거리의 두배를 움직이겠지만 작동력의 크기는 하중의 반으로 충분하다. 이처럼 지레는 하중에 작용하는 힘을 크게 해 주는 역할을 한다. 이런 식으로 균형을 맞추는 방식의 저울을 밸런스라고 부른다. 지레가 멈추면 작동력이 하중과 균형을 이루게 되는데 작동력이 바로 하중의 무게이다. 첫번째 지레 원리를 사용한 도구는 천칭 저울과 대저울 망치 뒷부분의 못을 뽑는 부분, 두바퀴 손수레, 펜치, 가위 등이 있다.

 

지레 2

물체 아래에 막대를 끼워 넣고 막대의 반대편을 들어 물체를 올리는 것 그리고 외바퀴 손수레 등이 두 번째 지레의 종류이다. 받침점은 막대 끝에 있으며 작동력은 다른 한쪽 끝에서 가해진다. 하중이 받침점과 작동력의 사이에 놓인다. 이런 경우 받침점에서 작동력까지의 거리는 항상 받침점에서 하중까지의 거리보다 길어야 한다. 하중이 움직이는 거리는 작동력 보다 짧지만 하중을 움직이는 힘은 작동력 보다 크다. 하중이 받침점에 가까울수록 힘이 세져서 하중을 들어 올리기가 쉽다. 외바퀴 손수레는 바퀴를 받침점으로 하는데 무거운 하중을 들어 올리고 또 이동할 수 있게 만든 도구이다. 원리는 무거운 물건 아래에 막대를 끼워 넣고 들어 올리는 것과 같다. 지레는 물체를 들어 올리는 일뿐만 아니라 물체에 큰 힘을 가하기도 하는데. 이 경우에 가하는 힘에 맞서는 물체의 저항이 바로 하중이 된다. 가위나 호두 까는 도구가 좋은 예이다. 두 번째 지레는 한 쌍의 지레를 받침점에 고정해 놓고 있다. 두 번째 지레 원리를 사용한 도구는 앞서 말한 외바퀴 손수레, 병따개, 호두 까는 집개 등이 있다.

 

지레 3

세 번째 지레는 낚싯대나 족집게의 원리다. 이 경우엔 받침점이 지레의 끝에 있으나 하중과 작동력의 위치가 두 번째 종류의 지레와 바뀌어 있다. 들어 올려지는 하중이 받침점에서 제일 멀리 떨어져 있지만 작동력은 받침점과 하중 사이에 미치게 된다. 하중이 받침점에서 멀리 떨어질수록 작동력보다 적은 힘으로 움직일수 있다. 하지만 움직이는 거리가 그것과 비례하면서 길어진다. 즉 세 번째 종류에 속하는 지레는 움직이는 거리는 늘어나고, 하중이 받는 힘이 적어진다. 세 번째 지레 원리를 사용한 도구는 망치로 못을 박는 운동, 한손은 낚싯대를 잡고 다른 한손으로 낚싯대를 들어 올리는 운동, 그리고 족집게 가 있다. 

 

복합 지레

복합 지레의 경우를 살펴보자 먼저 굴착기를 살펴보면 3개의 지레(붐,디퍼, 버킷)을 결합해서 무한궤도(트랙) 위에 지레를 올려놓은 복합구조이다. 유압 피스톤이 지레를 움직이고, 둥근 모양의 회전대가 돌아가면서 원하는 위치로 버킷을 이동할수 있다. 붐은 세 번째 지레에 속하는데 디퍼를 올리고 내리는 일을 한다. 디퍼와 버킷은 척 번째 종류의 지레이고, 디퍼는 버킷을 앞뒤로 움직이는 역할을 하고 버킷은 흙을 파서 다른 곳으로 옮기는 역할을 한다.

또 한 가지는 손톱깎이 이다. 손톱깍이에는 두 가지 지레 원리가 숨어 있는데 자르는 힘이 세고 움직임의 조절이 용이하다. 손잡이는 두 번째 종류에 속허눈 자래악흐 세 번째 종류에 속하는 지레는 자르는 날의 센 힘으로 맞부딪힌다. 자르는 날이 짧은 거리를 움직여서 손톱의 저항을 이겨내며 잘라낸다.