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학습자료/과학

축바퀴의 원리

대한민국 교육부 2015. 8. 19. 11:24

축바퀴의 원리

 

 

■축바퀴의 원리

축바퀴란 작은 바퀴와 큰 바퀴를 하나의 축에 고정시켜서 함께 회전할 수 있도록 만든 것으로, 우리 생활에서 많이 이용되고 있는 도구입니다. 축바퀴는 큰 바퀴가 작은 바퀴를 중심으로 연결되어, 양쪽의 바퀴가 함께 돌아가도록 만든 장치로, 바퀴의 크기를 다르게 하여 힘의 이득을 발생시키고 지레의 원리가 적용되기 때문에 ‘회전하는 지레’라고도 불립니다.

 

▲축바퀴의 모습(출처: 에듀넷)

 

축바퀴에서는 무거운 물체를 축바퀴의 중심에 있는 작은 바퀴 쪽에 연결하고, 큰 바퀴에 줄을 매달아 힘을 주게 됩니다. 축바퀴의 구조를 살펴보면 힘을 주는 부분, 즉 힘점은 큰 바퀴에 위치하고 있어 축의 중심인 받침점에서 멀리 떨어져 있고, 힘이 작용하는 부분인 작용점은 작은 바퀴에 위치하므로 축의 중심인 받침점에서 가깝습니다.


따라서 바깥의 큰 바퀴에 연결된 줄을 당기면, 중심에 있는 작은 바퀴가 돌아가면서 물체가 움직이게 됩니다. 받침점이 힘점과 작용점 사이에 위치하고 있기 때문에 이는 1종 지레와 같은 구조라고 할 수 있겠지요. 받침점에서 힘점까지의 거리가 받침점과 작용점 사이의 거리보다 길기 때문에, 축바퀴에서는 물체의 무게보다 적은 힘으로 물체를 들어올릴 수 있습니다. 축바퀴를 통해 물체를 움직이는 데 필요한 힘은 지레에서와 마찬가지로 큰 바퀴의 반지름(받침점과 힘점 사이의 거리)과 작은 바퀴의 반지름(받침점과 작용점 사이의 거리)의 비율에 의해 결정됩니다. 이를 식으로 나타나면 다음과 같습니다.

물체의 무게 × 작은 바퀴의 반지름 = 큰 바퀴의 줄을 잡아당기는 힘 × 큰 바퀴의 반지름

 

 

물체의 무게와 작은 바퀴의 반지름을 곱한 값은, 줄을 잡아당기는 힘과 큰 바퀴의 반지름을 곱한 값과 같습니다. 만약 축바퀴의 작은 바퀴와 큰 바퀴의 반지름의 비가 1:2라면, 작은 바퀴에 매달린 물체 무게의 절반에 해당하는 힘만 있어도 물체를 들어 올릴 수 있습니다. 이렇게 힘에서 이득을 얻을 수 있지만, 다른 도구에서와 마찬가지로 이동 거리에서는 그만큼 손해를 보게 됩니다. 작은 바퀴에 매달린 물체가 실제 이동하는 높이보다 큰 바퀴의 줄을 2배 더 길게 잡아당겨야 합니다. 힘의 이득을 보는 만큼 더 많이 큰 바퀴를 돌려야 하기 때문에, 결국 축바퀴를 사용하지 않았을 때와 일의 양은 같습니다.

 

■우리 생활에서의 축바퀴

우리 주변에서 축바퀴의 원리가 적용된 예를 찾아볼까요? 축바퀴를 이용하면 적은 힘으로 물체를 이동시킬 수 있습니다. 방문을 여닫게 해주는 문 손잡이는 바로 이 축바퀴의 원리가 이용되므로 우리는 작은 힘으로 쉽게 문을 열 수 있습니다. 자동차 핸들, 수도꼭지, 드라이버 등에도 축바퀴의 원리가 이용됩니다.

 

 

생활 속에서 사용되는 축바퀴(출처: 에듀넷)

 

또한, 연필을 깎는 연필깎이, 콩을 가는 맷돌, 낚싯줄을 감는 낚싯대의 휠, 얼음을 가는 빙수기, 태엽을 돌려 움직이게 하는 장난감이나 시계, 커피 원두를 가는 커피 그라인더 등도 축바퀴의 원리를 이용한 것입니다. 자전거 페달도 축바퀴의 원리가 적용됩니다. 페달을 밟아 그리는 원은 큰 바퀴에 해당하며, 페달에 연결된 톱니바퀴(작은 바퀴)는 페달이 그리는 원보다 반지름이 작습니다. 그래서 적은 힘으로 자전거 바퀴를 움직일 수 있게 됩니다. 빗면과 축바퀴의 원리를 이용한 코르크 따개도 마찬가지입니다. 코르크를 돌리는 나사못의 지름보다 손잡이의 회전 반경을 크게 하여 힘을 적게 들여 코르크를 열 수 있습니다.

 

 

[자료출처: 에듀넷]

 

 

 

 

 

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