지렛대, 도르레등을 이용한 효율적인 일하기

지렛대, 도르레등을 이용한 효율적인 일하기 

Work의 과학적 정의는 우리가 일반 생활에서 사용하는 뜻과 좀 달라. 과학에서 작업은 적용된 힘이 적용된 힘과 같은 방향으로 물체를 움직이게 하는 것을 말해. 그래서 자동차 견인은 가해진 힘과 그에 따른 움직임이 모두 같은 방향이기 때문에 Work(일)이 돼. 땅에서 책을 들어올리는것 또한 작업이야. 책을 들어올리기 위해서 위로 힘을 주었고 책은 위로 올라왔으니까. 일의 총량은 적용된 힘과 힘이 적용된 거리의 양 모두에 영향을 받아. 

일은 joules(J)로, 힘은 Newtons (N), 거리는 meter(m)으로 측정돼.

일을 계산하기 위해서는 같은 방향의 힘만 입력 할 수 있어. 즉, 세탁 바구니를 들고 복도를 걸어 가면서 일을하지 않고, 올라갈때 비로소 일을 한게 돼. 왜냐고? 세탁 바구니에 가해지는 힘은 중력을 극복하고 집어 올리는 힘이라 수직이고, 복도를 걸어갈때 바구니의 움직임은 수평 (수직이 아님)이므로 작업 계산에 수평 거리를 포함 할 수 없어. 계단을 올라갈 때 힘은 수직이고 (중력을 극복해야하므로) 움직임도 수직이어서 일로 계산이 될 수 있어. 때로는 힘이 부분적으로 움직이는 방향에 있을 수 있어. 예를 들어, 쓰레기를 완전히 운반 할 수없는 경우, 가방을 끌면서 약간 들어 올려 (슬라이딩 마찰을 극복하기 위해) 수직 및 수평 두 방향으로 힘을 가 하게 돼. 하지만 가방은 바닥을 가로 질러 움직이기 때문에 수평 방향으로 가해지는 힘의 양만이 일로 간주되어져.

Power (일률)

Power(일률)는 어떤 일이 수행되는 속도, 즉 작업이 얼마나 빨리 또는 느리게 수행되는지를  입니다. 더 강력한 기계는 작업을 더 빠르게 수행합니다. 일률은 와트 (w) 단위로 측정되고 시간은 초 단위로 측정됩니다.

Simple Machines (단순 기계들)

일을 쉽게 하기 위해서, 사람들은 기계를 발명했어. 기계를 생각할때 넌 아마 자동차나 트랙터 같은 것을 생각할거야, 하지만 기계는 정말 간단해. 기계는 일을 쉽게 할수 있게 만드는 모든 장치들을 말해. 경사로(ramp) 같은 것들도 기계야. 간단한 기계는 수행해야되는 총 작업량을 줄여주진 못해. 하지만 거리를 증가시킴으로서 같은 일을 하는데 소요되는 힘의 크기를 줄여줄 수 있어. 

단순 기계는 여러 단순 기계를 결합하여 캔 오프너와 같은 더 복잡한 기계를 생산하는 복합 기계와는 달리 단일 동작으로 작동하는 기계를 말해. 

단순기계들

Inclined Plane (경사면)

경사면 또는 경사로(Ramp)는 단순 기계의 예야. 작업 거리를 늘려서 필요한 노력의 양을 줄이는 거지. 트럭 뒤에 정말 무거운 상자를 밀어 넣는 것을 상상해 봐. 경사로를 사용하면 상자를 경사로 위로 굴릴 수 있으니까 상자를 트럭으로 들어 올리는 것보다 훨씬 적은 힘만 있으면 돼. 상자가 올려져야 하는 높이는 같기 때문에 결국 같은 양의 일이 수행된거야. 하지만, 상자는 더 먼 거리를 이동했기 때문에 주어진 시간에 더 적은 노력만이 필요했어. 경사면이 길수록 물체를 같은 거리로 올리는 데 필요한 힘은 줄어들어.

Wedge (쐐기)

쐐기는 움직일 수있는 경사면이며 물체를 분할하거나 들어 올리는 데 필요한 작업량을 줄여줘. 웨지의 예로는 칼, 도끼, 문 버팀 쇠 및 쟁기가 있어.  장작을 자르는 데 필요한 노력을 줄이기위해서 사람들은 쐐기 모양의 도끼를 사용하여 나무를 쪼개. 도끼는 맨손으로 통나무를 반으로 당기는 것보다 힘이 덜 필요하지.

Screw (스쿠루)

나사는 축이나 기둥을 감싸는 쐐기(경사면)야. 나사를 돌리면 쐐기가 물체를 샤프트 위로 밀어 올리거나 나사를 물체에 밀어 넣어. 나사를 벽에 고정하는 데 필요한 힘의 양은 같은 크기의 못을 두드리는 것보다 작아. 나사의 나선은 여러 번 회전하기 때문에 훨씬 더 멀 거리를 가야하거든.

도르레

Lever (지렛대)

레버는 어떤것을 들어올리는데 필요한 힘을 많이 줄여줘. 레버는 지렛대라고하는 피벗 포인트가있는 단단한 막대 또는 판자와 같은 시소와 같아. 힘을 받침점의 한쪽에 적용하면 다른 쪽의 하중도 이동하지. 친구와 함께 시소에 앉아있는 것을 생각해봐. 좌석을 아래로 내리면 친구가 공중으로 올라가. 네 친구가 너의 몸무게의 두 배라도, 넌 그를 지지점에 더 가까이 앉게해서 그를 들어 올릴 수 있어. 네가 더 먼 거리를 밀기 때문에 힘이 덜 필요하지. 지렛대는 지지대가 어디에 있는지, 짐이 어디에 놓여 있는지, 네가 힘을 어디에 주는지에 따라 분류돼. 

	1. First Class : 지지대가 가운데 있는 경우. 짐과 너의 힘은 지지대의 양쪽에 놓여
	2. Second Class : 지지대는 한쪽면에, 짐은 가운데, 그리고 힘은 다른 쪽에 놓여. (일륜차같은 스타일)
	3. Third Class : 지지대는 한 쪽에, 힘은 가운데, 짐은 다른 쪽에 (네가 네 팔로 무게를 들어올리는 경우)

Wheel and Axle (바퀴와 축)

Wheel (바퀴)과 Axle (축) 은 원래 작은 바퀴인 막대나 축에 큰 바퀴를 붙여서 쉽게 돌아가게 만들어. 바퀴와 축을 사용하는 두가지 방법이 있어. 

1. 출력을 늘리는 방법 

큰 바퀴를 돌리는 것은 작은 바퀴를 돌리는것보다 작은 힘이 들어 (큰 바퀴는 더 먼 거리를 이동하기떄문에 같은 양의 일을 작은 힘으로 할 수 있지) 수도꼭지를 돌리는 것을 생각해봐. 수도꼭지의 목 부분을 돌리는 것보다 수도꼭지를 돌리는게 훨씬 쉽지. Axle는 출력을 높여줘.

 

2. 바퀴를 이동함으로써 거리를 줄이는 방법

작은 바퀴를 돌리는 것은 큰 바퀴를 돌리는 것보다 더 많은 힘이 필요해, 하지만 작은 바퀴는 같은 같은 일의 성과를 얻기 위해 작은 거리만 돌리면 돼. 이러한 장치는 자전거에 사용돼. 넌 페달을 사용해서 작은 거리만 힘을 주면 돼 그러면 뒷바퀴는 먼 거리를 작은 힘으로 이동할수 있지. 이 바퀴는 출력을 높여줘. 

Pulleys (도르레)

도르래는 로프로 감싸져있는 바퀴를 말해. 로프는 바퀴의 홈에 맞게 설계되어, 로프에 가하는 힘을 확대하거나 (두 개 이상의 도르래 시스템을 배치 한 경우) 힘의 방향을 변경하여 당기기 쉽도록 되어 있어. 

 

Work as Energy and Efficiency (에너지와 효율성으로 일하기)

물체에 대한 작업을 할수록 물체의 에너지는 증가해. 예를 들어, 네가 물체를 밀면 움직이기 시작하고 그 움직임은 에너지의 한 형태야. 일은 에너지와 동일하므로 물체에 대한 모든 작업은 에너지의 형태로 보존돼.

에너지는 열과 운동과 같은 다양한 형태로 제공되지. 네가 물체에 작업을 하고 있는데 네가 소비한 에너지의 일부가 열 (마찰로 인해 발생하는 열 등)의 형태로 손실되면, 넌 작업의 일부를 잃은 거야. 얼마나 많은 일이나 에너지가 열로 인해 손실되는지가 효율성을 결정해. 열에 많은 에너지를 잃지 않는 기계는 더 많은 작업을 생산하므로 더 효율적이지. 

<출처: Everything you need to ace Science in one big fat notebook, google image, youtube>