기계(machine)에 대한 기초적인 교양 상식

 안녕하세요! 여러분 반갑습니다. 

오늘은 기계(machine)에 대한 기초적인 교양 상식을 포스팅 해보도록 하겠습니다.^^

 

 기계란 외부에서 동력을 받아 어떤 운동을 일으켜서 유용한 일을 하는 장치입니다. 최초의 기계는 원시인이 무기나 도구로 사용한 돌도끼입니다. 그 후 기계가 점점 발전하면서 사람들은 환경을 지배할 수 있게 되었습니다. 사람들은 떨어지는 물, 석탄과 같은 연료, 원자가 가지고 있는 에너지 따위로 기계를 작동시킵니다. 오늘날 우리가 사는 시대는 기계시대라고 할 정도로 많은 기계들을 사용합니다.

 

 <기계의 원리>

 기계의 원리에 대해 알아봅시다. 기계는 힘을 만들고 힘의 방향과 운동을 조절하지만 에너지를 만들 수는 없습니다. 따라서 기계는 받은 에너지만큼만 일을 합니다. 기계는 전기에너지와 같은 한 형태의 에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 다른 기계로 전달합니다. 디젤기관이나 증기터빈과 같은 기계는 에너지를 직접 일로 바꾸고, 다른 기계들은 같은 장치의 한 부분에서 다른 부분으로 힘을 전달합니다. 기계가 일을 할 수 있는 힘은 기계의 효율과 기계적 이득에 따라 측정됩니다. 

 

 기계의 효율은 기계가 일하는 에너지와 기계가 전달받은 에너지의 비율입니다. 에너지를 전달만 하는 기계는 거의 100%의 효율을 가질 수 있습니다. 단일 지렛대는 효율이 높은 기계의 좋은 사례입니다. 마찰로 소비되는 에너지가 아주 적기 떄문에 단일 지렛대가 내는 힘은 지렛대가 받는 에너지와 거의 같습니다. 그런데 대부분의 기계는 부품과의 마찰로 에너지가 일부 소모되기 때문에 100%효율로 작동하는 기계는 없습니다. 자동차 엔진의 경우 연료가 제공하는 에너지의 상당량이 열의 형태로 공중으로 빠져나가기 때문에 효율이 25%에 불과합니다.

 

 기계에 작용한 힘에 대한 기계가 내는 힘의 비를 기계적 이득이라고 합니다. 기계적 이득은 쇠로 만든 지렛대로 설명할 수 있습니다. 쇠지렛대 한쪽 끝에 무거운 물체를 올려놓았을 때 지렛대 받침점과 물체와의 거리가 가까울수록 쇠지렛대의 손잡이를 눌러 물체를 끌어올리는 데 힘이 적게 듭니다. 예컨데 물체의 무게를 보통 하중이라고 하는데, 하중이 200

kg이고, 물체와 지렛대 받침점 사이의 거리가 손잡이와 지렛대 받침점 사이 거리의 1/4이면 50kg를 들어올리는 힘만으로 물체를 들어올릴 수 있습니다. 따라서 기계적 이득은 1:4입니다. 그러나 물체가 움직인 거리는 힘이 작용하면서 움직인 거리의 1/4에 불과합니다. 

 

<단일 기계와 기계 설계>

 기계는 기어나 베어링과 같은 많은 부품들로 이루어져 이들이 함께 복잡한 작동을 합니다. 참고로 기어는 두 개 또는 그 이상의 축 사이에 회전이나 동력을 전달하는 장치입니다. 그리고 베어링은 축이 회전 운동을 할 때 마찰 저항을 작게 하여 운동을 원활하게 해주는 축을 받쳐 주는 기계요소입니다.  여러 기계에서 공통적으로 사용되는 기계 요소라고 합니다. 기계요소에는 나사, 핀과 키, 축과 베어링, 스프링, 브레이크, 관과 밸브 따위가 있습니다. 기계는 대부분 여러 기계 요소들이 결합되어 복잡하게 움직이지만, 어떠한 기계든 단일 기계 여섯 개를 바탕으로 만들어집니다. 단일 기계는 가장 간단한 구조의 기계로 지렛대, 축바퀴, 도르래, 빗면, 쐐기, 나사가 있습니다. 

 

 지렛대는 가장 오래 되고 단순한 기계로 물체를 드는 막대기와 받침으로 이루어져 있습니다. 막대의 한쪽 끝에 놓인 무거운 물체를 다른 한쪽을 눌러 적은 힘으로 들어올릴 수 있습니다. 지렛대 받침점과 무거운 물체(하중) 사이의 거리가 짧고, 지렛대 받침점과 힘이 작용하는 위치 사이의 거리가 길 때 효율이 높습니다.  

축바퀴와 지렛대

 축바퀴는 지렛대를 변형시킨 것이지만 지렛대보다 더 멀리 짐을 이동시킬 수 있습니다. 축바퀴는 무거운 짐을 미끄러뜨리지 않고 굴려서 운반할 때 꼭 필요한 기계입니다. 참고로 바퀴는 역사상 아주 중요한 발명 중 하나로 모든 종류의 기계에 폭넓게 사용됩니다. 축바퀴는 축에 밧줄이 붙어 있어 무거운 물체를 끌어올릴 수 있습니다. 지렛대 받침점인 축에서 짐보다 힘의 작용점이 더 멀리 떨어져 있기 때문에 적은 힘으로 짐을 들어올릴 수 있습니다. 수도꼭지, 문 손잡이, 드라이버가 축바퀴를 이용한 도구들입니다. 

다산 정약용이 개발한 복합 도르래 거중기

 도르래는 축바퀴의 하나로 밧줄을 걸 수 있는 홈이 있는 바퀴입니다. 그리고 도르래는 밧줄이나 벨트를 바퀴에 감아 돌려서 무거운 짐을 움직이는 장치입니다. 도르래는 밧줄에 가해지는 힘의 방향을 바꾸는 데 사용됩니다. 도르래를 두 개 이상 사용하면 무거운 짐을 적은 힘으로 들어올릴 수 있습니다. 

 

 빗면은 기계라고도 볼 수도 없는 단순한 장치인데, 짐을 직접 들어올리는 것보다 쉽게 밀어올릴 수 있습니다. 경사가 완만할수록 힘은 적게 들지만 일의 양은 수직으로 들어올리는 것보다 많습니다. 

 

 쐐기는 어떤 틈에 박아서 틈을 효율적으로 벌리는 데 쓰며 빗면을 응용한 것입니다. 쐐기는 보통 물건과 물건의 틈에 박아 고정할 때나 통나무를 쪼개는 것과 같이 물건을 쪼갤 때 사용합니다. 완만하게 가늘어지는 얇은 쐐기가 두꺼운 쐐기보다 더 효과적입니다. 쐐기는 끝의 각도가 작을수록 잘 박힙니다. 

 

 나사는 못에 나선 모양의 홈을 돌려 파서 빗면을 만든 나사못입니다. 그리고 자동차와 같은 구조물을 들 때 사용하는 나사잭은 지렛대와 나사의 장점을 결합한 장치입니다. 지렛대로 나사를 돌리는 나사잭은 무거운 짐을 비교적 적은 힘으로 들어 올리게 합니다. 

 

 중요한 것은 복잡한 기계나 기계부품들은 이런 단일 기계의 원리를 결합해서 만든다는 것입니다. 이렇게 만들어진 기계부품들은 규격을 표준화하여 전혀 다른 작업을 하는 여러 기계들에 공통으로 사용할 수 있습니다.