지레의 이용

지레의 이용

■ 몸무게 무거운 사람과도 시소를 탈 수 있는 이유는?

모두들 어렸을 때 엄마와 시소를 타 본 적이 있지요? 몸무게 차이가 많은 엄마와 아기가 시소를 함께 탈 수 있는 이유는 뭘까요? 시소를 탈 때 엄마와 아이가 앉는 위치를 잘 생각해 보면 그 답을 구할 수 있답니다. 이 속에는 바로 지레의 원리가 숨어 있습니다.

▲ 지레의 원리를 이용한 시소(출처: 에듀넷)

지레는 막대의 한 점을 물체로 받쳐 고정시켜 놓고, 한쪽에는 물체를, 다른 한쪽에는 힘을 가하여 작은 힘으로도 큰 힘의 효과를 보는 도구입니다. 막대를 고정시켜 놓는 점을 받침점, 손으로 힘을 가하는 부분을 힘점, 힘이 물체에 작용하는 부분을 작용점이라고 합니다. 

▲ 지레의 원리(출처: 에듀넷)

물체의 무게(W)×작용점까지의 거리(r) = 힘(F)×힘점까지의 거리(R)

지레의 원리를 이용하면 받침점으로부터 멀리 떨어진 힘점에서 작은 힘(F)을 사용해서 받침점에서 가까운 위치인 작용점의 무거운 물체(W)를 들어올릴 수 있습니다.

엄마의 몸무게가 50, 아이의 몸무게가 25일 경우를 예로 들어 한번 설명해 보도록 할까요? 

위의 공식에 의해 

엄마의 몸무게 50×작용점까지의 거리(r) = 아이의 몸무게 25×힘점까지의 거리(R)

가 되어야 하므로 엄마가 작용점인 시소의 받침대에서 50 떨어진 위치에 앉고, 아이가 시소의 받침대에서 100 떨어진 위치에 앉으면 균형이 맞아 아이 입장에서는 자신의 적은 몸무게로 무거운 엄마를 들어올릴 수 있게 되는 것이지요

이처럼 지레의 원리를 이용하면 작은 힘으로 무거운 물체를 들어올릴 수 있습니다. 이러한 지레의 원리를 이용해 그리스의 아르키메데스는 자신에게 긴 막대와 받침대만 준다면 지구도 들어올릴 수 있다고 장담했답니다. 

■ 지레를 이용하면 어떤 점이 이로울까?

지레는 힘점, 작용점, 받침점의 배열 순서에 따라 1종 지레, 2종 지레, 3종 지레로 나눌 수 있습니다. 이 배열 순서와 각 점 사이의 거리 차이 때문에 힘이 덜 들게 해주는 지레가 있는가 하면 힘은 조금 더 들지만 조금만 움직여도 일을 할 수 있게 해 주는 지레도 있습니다. 그럼 하나씩 알아보도록 할까요?

▲ 1종 지레의 원리와 종류(출처: 에듀넷)

1종 지레는 위 그림처럼 힘점-받침점-작용점 또는 작용점-받침점-힘점 순으로 구성되어 있습니다. 즉, 힘점과 작용점 사이에 받침점이 있는 것이지요. 그래서 힘의 방향과 힘이 작용하는 방향이 반대랍니다. 우리가 사용하는 가위, 시소, 양팔 저울 등이 바로 1종 지레의 원리를 이용한 것입니다. 1종 지레의 경우 힘점과 받침점 사이의 거리가 멀고, 받침점과 작용점 사이의 거리가 가까우면 사람이 가하는 힘은 적어도 물체에는 더 큰 힘이 가해지게 됩니다. 

다음은 2종 지레입니다. 2종 지레는 받침점-작용점-힘점의 순서로 되어 있는 지레로 힘의 방향과 작용 방향이 같습니다. 병따개, 손톱깎이, 절단기 등이 바로 2종 지레입니다. 힘점과 받침점 사이의 거리가 멀고, 작용점과 받침점 사이의 거리가 가깝기 때문에 적은 힘을 주어도 작용점에는 더 큰 힘이 가해지게 됩니다. 

▲ 2종 지레의 원리와 종류(출처: 에듀넷)

3종 지레는 받침점-힘점-작용점 순으로 되어 있습니다. 힘점-받침점 사이의 거리가 작용점-받침점 사이의 거리보다 짧기 때문에 실제로 우리가 주어야 하는 힘은 더 크지만 작용점과 받침점과의 거리가 멀기 때문에 세밀하고 정교한 작업을 할 수 있게 해 주는 지레입니다. 핀셋, 집게, 스테플러 등이 바로 3종 지레의 원리를 응용한 물건입니다.

▲ 3종 지레의 원리와 종류(출처: 에듀넷)

[자료출처: 에듀넷]