영국의 고대 거석기념물인 스톤헨지 같이 커다란 돌을 당시 사람들은 어떻게 움직여 세워 만들었을까요? 예부터 사람들은 무거운 것을 옮길 때 지렛대를 사용했습니다. 작은 힘으로 큰 물체를 들어 올릴 수 있기 때문입니다. 하지만 그 원리는 알지 못했을 것입니다. 지렛대의 원리를 처음 설명한 사람은 누구이고 어떤 지레들이 있으며 무게 중심과는 어떤 연관이 있는지 알아봅시다.
목차
아르키메데스가 설명한 지렛대의 원리
지렛대를 사용하면 작은 힘으로 큰 물체를 들어올릴 수 있다는 것을 처음으로 밝혀낸 사람은 고대 그리스 시대의 아르키메데스입니다. 지렛대 아래 받침이 있고 지렛대 위에는 왼쪽에 A무게의 물체가, 오른쪽에 B무게의 물체가 있다고 생각해 봅시다. 그리고 받침점과 A물체까지의 거리를 X, 받침점과 B물체까지의 거리를 Y라고 해봅시다. 지렛대의 무게가 아주 작아서 무시할 수 있다면 지렛대가 수평을 이룰 때 A×X=B×Y로 일치합니다. B의 힘 또는 무게가 A보다 커지거나, 받침점과 B사이의 거리가 멀어지면 어떤 물체라도 들어 올릴 수 있습니다. 그래서 아르키메데스는 왕을 만나 '제게 크기가 알맞은 지렛대만 주시면 지구를 들어보겠습니다.'라고 말했습니다. 이 말은 지렛대의 장점을 아주 잘 표현한 말입니다. 받침점을 지구와 최대로 가까이 두고 정말 긴 지렛대가 있다면 지구를 들어 올리는 것도 가능하리라 생각합니다.
어떤 물체나 무게 중심은 있다
지렛대가 A와 B를 왼쪽과 오른쪽에 올린 후 수평을 이루는 순간 지레의 받침점은 무게 중심입니다. 모든 물체 속에는 무게 중심이 있습니다. 우리 몸은 60조 개의 세포들이 모여 각각 팔, 다리, 머리, 몸통 등을 만듭니다. 각각의 팔, 다리, 머리, 몸통이 따로따로 중력의 영향을 받지만 몸이라는 틀 안에 있기 때문에 따로 움직이지는 못합니다. 지렛대 위의 물건처럼 각자의 위치에서 기울어지거나 무게중심에서 평형을 이룹니다. 아마도 이 무게 중심으로 평형을 가장 잘 이루는 사람 중의 하나가 피겨스케이팅 김연아 선수일 것입니다. 김연아는 몇 바퀴를 회전하고도 무게 중심의 평형을 잘 잡아 넘어지지 않습니다. 세상 어떤 물건도 무게 중심을 받치면 쉽게 균형을 잡을 수 있습니다. 모빌을 만들 때는 지레와 무게 중심을 같이 생각하면 무게가 다른 여러 물체를 매달아도 균형을 잡을 수 있습니다. 네모 반듯한 평면이나 원의 중심은 중점입니다. 그런데 불규칙한 모양의 평면 물체는 어떻게 무게 중심을 찾을 수 있을까요? 먼저 물체의 한쪽 끝에 핀을 꽂아 물체가 잘 흔들리며 돌아가는지 확인해 봅니다. 잘 흔들리는 것을 확인했으면 그 핀에 실로 추를 매달아 둡니다. 이렇게 두 군데 핀을 꽂아 추를 매단 후 두 실의 교점을 잡으면 그곳이 무게 중심입니다. 무게 중심을 손가락으로 받쳐 들면 어느 쪽으로도 떨어지지 않고 균형 있게 있을 수 있습니다. 하늘을 나는 비행기나 바다를 다니는 배는 균형을 잡는 것이 무엇보다 중요합니다. 그래서 전체적인 무게와 균형을 생각해서 사람을 태우거나 물건을 실어야만 출발 허가가 나옵니다.
생활 속 지레의 종류
작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있는 지레는 생활속 도구에 많이 사용됩니다. 지레는 사람이 힘을 가하는 힘점, 지렛대를 받치는 받침점, 물체에 힘이 작용하는 작용점이 있습니다. 예를 들어 사람이 지렛대로 무거운 돌을 들어 올릴 때 물체는 힘점, 받침대는 받침점, 사람이 힘을 주는 지점은 작용점이라고 합니다. 이 힘점, 받침점, 작용점의 위치에 따라 힘의 효과가 달라집니다. 지레 중에서 힘점, 받침점, 작용점의 순서로 되어 있는 것을 1종 지레라 합니다. 1종 지레는 작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있습니다. 이 1종 지레에는 펜치, 가위, 못을 뽑는 장도리, 시소, 양팔 저울 등이 있습니다. 2종 지레는 받침점, 작용점, 힘점의 순서로 놓인 것을 말합니다. 2종 지레도 작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있습니다. 대표적으로 병따개가 2종 지레입니다. 그 외에도 손톱깎이, 호두 까는 집게, 작두 등이 있습니다. 그리고 3종 지레는 받침점, 힘점, 작용점의 순서로 이루어져 있습니다. 3종 지레는 힘이 커지지는 않지만 세밀하고 정교한 작업을 할 때 유용합니다. 핀셋, 젓가락, 낚싯대 등이 있습니다. 쓰임에 맞게 잘 사용하면 일을 쉽게 할 수 있습니다.
