무거운 물체를 들어 올리는데 인간의 힘만으로는 역부족입니다. 인간은 도구를 이용하여 수많은 물체들을 거뜬히 들어 올립니다. 그렇다면 물체를 들어 올리는데 쓰이는 지레는 어떤 과학적 원리가 숨어 있는 것일까요?
지금부터 함께 알아봅시다.
1. 지레의 원리
지레란 받침점이나 중심점 위에 놓인 막대를 의미합니다. 쉽게 말해 시소를 연상하면 됩니다. 지레의 한쪽을 누르거나 올리면 지레가 움직이고, 반대쪽 끝에서 물체를 들어 올리는 일을 하게 됩니다. 이때 지레의 한쪽을 누르거나 올리는 힘을 작동력이라고 하고, 지레가 움직여서 반대쪽 끝에서 물체가 중력에 의해 아래로 저항하는 것을 하중이라고 합니다. 여기서 지레의 어느 지점에서 얼마만큼의 힘을 가했는지가 중요합니다. 받침점으로부터 먼 곳일수록 작은 힘으로도 하중을 움직일 수 있습니다. 이때 하중을 들어 올리기 위해 작동력을 가해 움직이는 거리는 더 길어집니다. 빗면과 같이 거리가 늘어날수록 힘은 적게 들고, 거리가 줄어들수록 힘은 더 많이 드는 것입니다. 마찬가지로 일의 양에는 변함이 없습니다.
지레에 작동력이나 하중을 가하면 움직인 거리는 힘이 가해진 위치가 받침점으로부터 떨어진 거리에 의해 결정됩니다. 지레의 원리에따르면 작동력 곱하기 받침점과 작동력 사이의 거리는 하중 곱하기 받침점과 하중 사이의 거리와 같습니다.
그래서 받침점이 한가운데 있는 경우 작동력과 하중(물체)이 받침점으로부터 떨어진 거리가 같은 위치에 있습니다. 이때 지레가 수평이 되었을 때 작동력과 하중은 같아지고, 양쪽은 같은 거리를 위아래로 움직이게 됩니다.
2. 지레의 종류
지레의 첫번째 종류는 받침점이 항상 작동력과 하중(물체) 사이에 있는 지레입니다. 받침점이 한가운데 있는 경우 작동력과 하중은 받침점으로부터 같은 거리에 있으며 크기도 같습니다. 그러므로 물체의 무게와 반대편에서 누르는 무게가 같습니다.
하지만 작동력과 받침점으로부터 거리가 하중과 받침점으로부터의 거리보다 2배 멀다면 작동력은 하중의 절반이면 충분합니다. 만일 작동력과 받침점으로부터 거리가 하중과 받침점으로부터의 거리보다 3배 멀다면 작동력은 하중의 3분의 1이면 됩니다. 반대로 작동력과 받침점으로부터 거리가 하중과 받침점으로부터의 거리보다 2배 가까워진다면 작동력은 하중의 2배가 필요합니다. 이렇게 지렛대는 하중에 작용하는 힘을 크게 해주는 역할을 합니다.
물체의 무게를 재는 지레는 균형을 맞추는 방식을 사용하기 때문에 이런 종류의 저울을 밸런스라고 합니다. 지레가 정지하면 작동력이 하중과 균형을 이루게 되고, 작동력은 하중의 무게와 같아지는 것입니다.
첫 번째 종류의 지레를 제외한 다른 종류의 지레는 대부분 물체를 움직이는 데 사용합니다.
지레를 이용한 도구에는 천칭, 못뽑이, 손수레, 집게, 가위, 외바퀴 손수레, 병따개, 호두 까는 도구, 망치, 낚싯대, 족집게, 굴착기, 손톱깎이 등 수없이 많습니다.
3. 지레의 발명사
지레 역시 오랜 옛날부터 선조들이 사용하던 도구입니다. 사람들은 배를 젓는 노, 투석기, 괭이와 같은 도구인 지레를 쓰면 힘이 적게 든다는 것을 직관적으로 알았지만 왜 그렇게 되는지 설명하려면 그 과학적 원리를 설명할 수 있는 사람이 등장하기까지 시간이 좀 걸렸습니다. 지레의 원리를 정확하게 설명한 사람은 바로 그 유명한 고대 그리스의 과학자 아르키메데스입니다. 그가 남긴 지레와 관련한 유명한 말은 "발판만 있으면 지구를 움직여 보이겠다."라는 것으로 지레의 원리를 설명하였습니다. 다시 말해서, 긴 지레와 발판만 있으면 한 사람만의 힘으로도 지구를 움직일 수 있다는 것입니다. 이와 같은 지레 원리의 공식적인 공표는 이후 과학 기술에 커다란 발전을 가져왔습니다. 아르키메데스의 천재적인 능력은 지레의 설명에만 머무는 것이 아닙니다. 빗면, 도르래와 나사, 기어와 벨트 등에서도 지레의 원리를 찾아내고, 그 원리를 설명하였습니다.
기원전 3500년전에는 지레를 이용한 보다 세밀한 장치로 천칭이 사용되었습니다. 이는 아르키메데스보다 훨씬 전의 일입니다. 당시 천칭은 보통 금의 무게를 재기 위해 사용한 물건이었다고 합니다. 고대 중동에서는 화폐 대신 사금이 통화로 사용되었고, 그 가치를 정확하게 파악하기 위해서는 무엇보다도 무게를 정확하게 잴 수 있는 도구가 필요했던 셈입니다.
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