물리적 힘 — 밀고 당기고 돌리는 일에 숨은 공학의 출발점
물리학 · 힘과 운동 · 기계공학
책 소개
세계적인 공학 칼럼니스트 헨리 페트로스키가 '힘'이라는 물리·공학의 가장 기본 개념을 일상의 동작으로 풀어내는 책입니다. 저자는 문을 밀어 열고, 손잡이를 돌리고, 자동차가 멈추는 평범한 장면을 골라 그 안에서 밀기와 당기기, 돌리기, 중력, 마찰 같은 힘이 어떻게 작용하는지를 수식 없이 설명합니다. 그래서 힘 공식을 외우기 전에 '힘이란 무엇이고 어디에 작용하는가'를 먼저 감각으로 잡게 해 줍니다. 기계공학은 결국 힘과 운동을 다루는 학문이므로, 정역학과 동역학을 배우기 전에 그 토대를 일상 사례로 이해하려는 학생이 '기계는 힘을 어떻게 다루는가'라는 의문으로 탐구를 시작하기 좋은 책입니다.
책은 우리가 의식하지 않고 쓰는 힘을 하나씩 꺼내 그 정체를 따져 봅니다. 저자는 잼병 뚜껑을 돌려 여는 일, 줄자를 잡아당기는 일, 옷을 입는 일, 깡통을 따는 일처럼 누구나 매일 하는 동작을 골라 그 안에서 어떤 힘이 작용하는지를 보여 줍니다. 책은 이런 힘을 밀기와 당기기, 중력, 자기, 마찰의 네 갈래로 나누어 설명하면서, 같은 힘이라도 어디에 어떻게 작용하느냐에 따라 결과가 달라진다는 점을 강조합니다. 특히 연필 한 자루를 쥐고 쓰는 동작만 들여다봐도 마찰과 중력, 그리고 물체를 돌릴 때 나타나는 관성 모멘트가 함께 작용한다는 것을 일러 주며, 힘은 단순히 '세기'만이 아니라 '방향'과 '작용하는 위치'까지 함께 봐야 이해된다는 점을 일깨워 줍니다.
물체에 여러 힘이 동시에 작용할 때, 그 힘들을 모두 합쳐 같은 효과를 내는 하나의 힘을 알짜힘이라고 합니다. 알짜힘이 0이면 물체는 힘의 평형 상태에 있어, 정지한 물체는 계속 정지하고 운동하던 물체는 등속으로 운동합니다.
이것이 뉴턴 운동 제1법칙입니다. 그런데 물체를 회전시키는 효과는 힘의 크기만으로 정해지지 않습니다. 회전축에서 힘이 작용하는 지점까지의 거리와 힘의 크기를 함께 고려한 양을 돌림힘이라고 하며, 같은 힘이라도 회전축에서 멀리 작용할수록 회전 효과가 커집니다. 그래서 힘이 물체에 미치는 영향을 제대로 다루려면 힘의 크기와 방향, 그리고 작용하는 위치를 모두 따져야 합니다.
왜 긴 렌치로는 꽉 조인 볼트가 쉽게 풀리는데 짧은 렌치로는 잘 안 풀릴까요? 물리학에서 배우는 돌림힘으로 그 까닭을 설명할 수 있습니다.
물체를 회전시키는 효과는 힘의 크기만이 아니라, 회전축에서 힘이 작용하는 지점까지의 거리에도 달려 있습니다. 돌림힘은 이 거리와 힘의 크기를 곱한 값이므로, 같은 세기로 밀어도 회전축에서 먼 곳을 밀수록 회전 효과가 커집니다. 그래서 손잡이가 긴 렌치는 같은 힘으로도 더 큰 돌림힘을 만들어 볼트를 더 쉽게 돌립니다. 문손잡이를 경첩에서 먼 쪽 끝에 다는 것도 같은 이유로, 적은 힘으로도 문을 여는 데 필요한 돌림힘을 충분히 낼 수 있기 때문입니다. 기계 설계에서 지레·기어·핸들로 힘을 키우거나 줄이는 장치는 모두 이 돌림힘의 원리를 거리로 조절해 만든 것이며, 어디에 얼마만큼의 힘을 줄지를 정밀하게 계산하는 일이 기계공학의 출발점이 됩니다.
돌림힘은 힘이 물체를 회전시키는 정도를 나타내는 양으로, 회전축에서 힘이 작용하는 지점까지의 거리와, 그 거리에 수직인 힘 성분의 크기를 곱해 구합니다. 따라서 같은 크기의 힘이라도 회전축에서 멀리 떨어진 곳에 작용하면 더 큰 돌림힘이 생기고, 회전축 가까이에 작용하면 돌림힘이 작아집니다.
기계 장치에서 힘을 절약하는 도구들은 바로 이 원리를 이용합니다. 지레는 받침점에서 먼 쪽을 누르면 작은 힘으로도 큰 돌림힘을 만들어 무거운 물체를 들어 올리고, 기어는 크기가 다른 톱니바퀴를 맞물려 회전축까지의 거리 차이로 회전력과 회전 속도를 바꿉니다. 자동차 핸들이 둥글고 큰 것도, 운전대 가장자리를 잡고 돌리면 작은 힘으로도 바퀴를 움직일 만큼 큰 돌림힘이 생기기 때문입니다.
다만 거리를 늘려 힘을 줄이면 그만큼 움직여야 하는 거리는 길어지므로, 기계를 설계할 때는 힘과 이동 거리 사이에서 어느 쪽을 키울지 정해야 합니다. 이 책에서 본 일상의 힘을 출발점 삼아, 손잡이나 공구 한 가지를 골라 회전축까지의 거리를 바꿔 가며 같은 힘으로 만들 수 있는 돌림힘이 어떻게 달라지는지를 측정해, 기계가 힘을 다루는 방식을 돌림힘이라는 개념으로 탐구할 수 있습니다.