지레 원리

지레란 무엇인가

지레는 받침점을 중심으로 힘을 전달해 힘의 크기와 방향을 바꾸는 단순기계다.

무거운 것을 적은 힘으로 들거나, 같은 힘으로 더 빠르고 넓게 움직이게 한다.

시소, 병따개, 집게가 모두 같은 원리를 쓴다.

세 요소와 돌림힘 평형

돌림힘이 같으면 막대는 받침점 둘레에서 멈춰 있다.

힘점의 힘에 힘팔을 곱한 값이 작용점의 힘에 하중팔을 곱한 값과 같다.

이 평형식으로 필요한 힘을 구하고, 힘팔이 길면 같은 하중에 필요한 힘이 줄어든다.

그래서 힘팔과 하중팔의 비가 힘 이득을 정한다.

1·2·3종 지레 구분

지레의 종류는 힘의 크기가 아니라 가운데에 놓인 요소로 나눈다.

받침점이 가운데면 1종, 작용점이 가운데면 2종, 힘점이 가운데면 3종이다.

2종은 힘점이 받침점에서 멀어 항상 힘을 얻는다.

3종은 힘을 잃는 대신 속도와 범위를 얻는다.

1종은 두 팔 길이에 따라 어느 쪽도 될 수 있다.

계산 예제 3종 지레

가상의 예로 팔꿈치 굽힘을 3종 지레로 계산해 본다.

평형식에 넣으면 힘팔과 곱한 값이 14 N·m이고, 이를 0.04 m로 나누면 350 N이다.

근육은 손에 든 무게의 7배 가까운 힘을 내야 한다.

기계적 이득은 0.14로 1보다 작아 힘을 잃고 속도와 범위를 얻는다.

직접 풀기

이제 배운 기준을 적용해 직접 풀어 보자.

손수레에서 받침점은 바퀴 축, 힘점은 손잡이, 작용점은 짐이다.

흔한 실수와 정리

앞 문제의 정답은 2종이다. 작용점인 짐이 가운데에 있기 때문이다.

흔한 실수는 1종 지레가 항상 힘 이득이라고 쓰는 것이다.

1종은 받침점의 위치에 따라 이득이 생기기도 하고 손해가 나기도 한다.

정리

지레의 종류는 가운데에 놓인 요소로 나눈다.

평형식과 기계적 이득을 함께 쓰면 힘과 속도의 교환을 설명할 수 있다.

설계에서는 힘 이득만 보지 말고 자세와 반복 부담도 함께 본다.