도르래와 지레의 관계

도르래와 지레의 관계 

■ 지레의 종류

지레는 받침과 지렛대(막대)를 사용하여 물체를 움직이는 장치입니다. 지레를 사용하면 물체를 움직이는 데 필요한 힘의 크기나 방향을 바꿀 수 있습니다. 이러한 지레는 사람이 힘을 주는 ‘힘점’, 물체에 힘이 작용하는 ‘작용점’, 지레의 받침대에 해당하는 ‘받침점’ 세 가지로 구성됩니다. 그리고 이 세 가지 요소의 배열에 따라 세 가지 종류의 지레로 나뉩니다.

지레는 받침점에서 힘점 사이의 거리가 받침점에서 작용점까지의 거리보다 길 때 물체의 무게보다 작은 힘으로 일할 수 있으며, 힘의 이득을 보는 대신 물체가 실제로 움직이는 것보다 더 많은 거리만큼 지레를 움직여야 하므로 일의 이득은 없습니다.

▲일상생활에서 1종 지레의 사용(장도로리 못 빼기)(출처: 에듀넷)

1종 지레는 작용점과 받침점, 힘점 순서대로 배열된 지레로서, 받침점과 작용점 사이의 거리보다 받침점과 힘점 사이의 거리가 더 클 때, 작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있습니다. 1종 지레를 사용한 주변 물건들에는 가위, 시소, 펜치, 빨래집게 등이 있습니다. 

▲1종 지레(출처: 에듀넷)

2종 지레는 받침점, 작용점, 힘점 순서대로 배열된 지레로서, 받침점과 작용점 사이의 거리보다 받침점과 힘점 사이의 거리가 항상 크기 때문에 작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있습니다. 2종 지레는 병따개, 호두까기, 손톱깎이, 손수레 등에 쓰입니다.

▲2종 지레(출처: 에듀넷)

3종 지레는 작용점, 힘점, 받침점 순서대로 배열된 지레로서, 받침점과 작용점 사이의 거리가 받침점과 힘점 사이의 거리보다 오히려 더 커서 도구 없이 일할 때보다 오히려 더 큰 힘이 필요한 지레지만, 젓가락, 핀셋, 족집게와 같이 작은 것을 세밀하게 다룰 수 있고 보다 빨리 물체를 움직일 수 있다는 장점이 있습니다. 

▲3종 지레(출처: 에듀넷)

■ 지레와 도르래의 관계

도르래는 둥근 바퀴에 홈이 패여 있고, 축을 중심으로 돌 수 있게 만든 바퀴로서, 물체를 움직일 때 힘의 방향을 바꾸거나 힘의 크기를 변화시킬 수 있는 도구입니다. 도르래는 고정 도르래와 움직 도르래로 나뉘는데, 그 작용을 지레의 원리로 설명할 수 있습니다.

 

먼저, 고정 도르래는 물체가 매달린 지점이 작용점, 도르래의 중심이 받침점, 줄을 잡아당기는 부분이 힘점이 되므로, 1종 지레(작용점-받침점-힘점)와 같이 생각할 수 있습니다. 따라서 1종 지레에서 물체가 올라가는 방향과 힘을 주는 방향이 반대인 것처럼 고정 도르래에서도 물체를 움직일 때 힘의 방향을 바꿀 수 있습니다. 다만, 고정 도르래에서는 작용점과 받침점 사이의 거리(도르래에서 원의 반지름)와 받침점과 힘점 사이의 거리(도르래에서 원의 반지름)가 같으므로, 힘의 이득은 없습니다. 즉, 물체의 무게와 같은 힘으로 일하고 힘을 주는 방향만 바꿀 수 있습니다.

움직도르래는, 도르래의 중심이 작용점이 되고, 천장에 매달린 줄이 있는 부분이 받침점이 되기 때문에 2종 지레의 형태(받침점-작용점-힘점)와 같습니다. 2종 지레는 받침점으로부터 힘점까지의 거리가 받침점과 작용점 사이의 거리보다 짧으므로 힘의 이득을 볼 수 있습니다. 단, 고정 도르래처럼 힘의 방향을 바꿀 수는 없습니다. 움직도르래에서 받침점과 작용점 사이의 거리는 받침점과 힘점 사이의 거리의 1/2이기 때문에, 물체를 움직이는 데 필요한 힘의 크기도 절반으로 줄어드는 것입니다. 그리고 무게의 절반에 해당하는 힘으로 일할 수 있지만, 줄을 당겨야 하는 거리는 2배로 늘어나기 때문에 일의 양은 도구를 사용하지 않을 때와 같습니다. 

[자료출처: 에듀넷]