[과학] 힘을 이용한 도구, 힘을 적게 들게하는 도구 도르레와 지레의 관계

도르래와 지레는 모두 힘을 효율적으로 사용하기 위한 도구지만, 작동 방식이 다릅니다. 지레는 받침점(축), 힘점, 저항점으로 구성되며, 힘을 가하는 방식에 따라 1종, 2종, 3종 지레로 나뉘며 이를 통해 힘의 크기나 방향을 조절할 수 있습니다. 도르래는 지레의 원리를 적용한 장치로 볼 수 있는데 예를 들어, 고정 도르래는 1종 지레처럼 작용하며, 움직 도르래는 2종 지레의 원리를 따릅니다. 즉, 도르래를 사용하면 힘의 방향을 바꾸거나 힘의 크기를 줄일 수 있습니다. 오늘은 힘을 적게 들게하는 도구인 도르레와 지레의 관계를 살펴볼게요.

 

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. 

1종지레 장도리

 

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

 

 

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.

2종지레

 

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.

3종지레

 

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.