거중기의 원리

거중기의 원리

■ 일의 원리

인간은 오래전부터 적은 힘으로 큰 물체를 옮기거나 드는 일을 하기 위해 여러 가지 도구를 발명하여 사용하였습니다. 지레를 발명하여 큰 돌을 옮길 수 있었으며, 도르래를 사용하여 큰 물체를 들어 올리기도 하였습니다. 현재 우리 주변에서 흔하게 사용하는 시소, 병따개, 손톱깎이, 자전거 기어 등이 도구를 사용한 예입니다.

▲ 일의 원리가 적용된 시소, 손톱깎이, 병따개(출처: 에듀넷)

그러면 일의 원리란 무엇일까요? 일을 하기 위해 도구를 사용할 때 한 일의 양은 도구를 사용하지 않을 때 한 일의 양과 같은데 이를 일의 원리라고 합니다. 그렇다면 왜 우리는 왜 도구를 사용할까요? 바로 힘에 이득이 있기 때문입니다. 즉, 도구를 사용함으로써 작은 힘으로 큰 물체를 들어 올리거나 옮길 수 있게 되죠. 높은 산을 오를 때 지그재그로 올라가면 힘이 덜 들게 됩니다. 그렇지만 직선으로 올라갈 때보다 시간이 더 걸리죠. 시소를 탈 때 시소의 중심으로부터 가벼운 사람은 멀리 앉고, 무거운 사람은 가까이 앉으면 수평을 이룰 수 있는 현상도 일의 원리입니다. 일은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있습니다.

일 = 힘 × 이동거리

여러 가지 도르래를 이용하는 것도 일의 원리를 이용한 것입니다. 약한 힘으로 무거운 물체를 들어 올리기 위함이죠.

■ 도르래의 원리 

■ 거중기의 원리

▲ 거중기 전도(출처: 에듀넷)

▲ 거중기(출처: 에듀넷)

▲ 수원 화성(출처: 에듀넷) 

18세기 조선 후기 정조는 수원 지역에 새로운 성을 쌓으라고 지시합니다. 엄청난 규모의 성을 쌓기 위해서는 많은 인력이 필요했지만, 정약용은 적은 인원으로 성을 쌓을 수 있도록 이동이 편리하고 효율적인 기계인 거중기를 개발하였습니다. 이는 정조가 중국에서 가져온 <기기도설>이란 책에 있는 서양의 도르래 원리를 이용하여 우리나라 실정에 맞게 고안한 것입니다. 거중기는 위에 4개와 아래 4개의 도르래를 수평으로 연결하고 아래 도르래 밑으로 물체를 달아매고, 위쪽 도르래의 양쪽으로 잡아당길 수 있는 끈을 연결하여 끈을 잡아당기면 도르래가 움직이면서 물체가 위로 들어 올려지게 만들었습니다. 이렇게 거중기를 이용하여 적은 힘으로 수원 화성을 쌓을 수 있었습니다.

▲ 거중기에 적용된 도르래와 원리(출처: 에듀넷) 

만약 80N의 물체를 거중기로 들어 올린다면 움직 도르래 4개의 움직임으로 8개의 줄이 당겨 주는 역할을 하여 힘이 1/8로 줄어들게 됩니다. 즉, 10N으로 잡아당기면 되는 것이죠. 그리고 힘의 방향을 바꾸기 위해 고정 도르래를 설치하여 아래에서 쉽게 당길 수 있는 구조였답니다.

[자료출처: 에듀넷]