세상 속에서 움직이고 작동하는 것은 호기심의 주요 대상이 되곤 합니다. 기구, 장치, 작동완구, 기계, 로봇 등을 자세히 살펴보면 다양한 부품이 서로 연결되어 일정한 운동을 하고 있습니다. 기계의 구조와 운동이 아무리 복잡하더라도 간단한 기계요소(machine element)와 메커니즘(mechanism)의 조합이라는 것을 알게 됩니다. 이번 글은 메커니즘, 기구, 기계적 운동에 대한 이야기입니다.
움직이는 사물을 이해하려면 메커니즘에 대한 기본적인 지식이 필요합니다. 메커니즘은 사전적 의미로 다음과 같이 정의됩니다.
메커니즘(mechanism)이란?
- 어떤 사물이 어떻게 작동하는 원리
- 기계의 구조, 기구(機構)
메커니즘을 의미하는 "기구(機構)"와 주방기구 또는 난방기구에 사용하는 “기구(器具)”는 한자가 다릅니다. 주방 기구에서 기구(器具)는 도구나 기계 따위를 통틀어 이르는 단어입니다. 즉, 주방기구의 기구(器具)는 기계구조의 기구(機構)를 포함하는 개념입니다.
다음은 기구(機構)에 대해 구체적으로 정의해 봅니다.
기구(機構)란?
● 구속된(일정한, 제한된, 한정된) 운동을 하지만 힘이 전달되는 것은 생각하지 않고 운동이 전달되고 변환되는 과정만을 고려하는 기계구조를 말합니다. 즉, 힘은 생각하지 않고 운동 전달만 고려하는 기계구조를 기구라고 합니다. 이렇게 기구의 운동만을 연구하는 학문을 특히 “키네메틱스(kinematics, 운동학)”라고 합니다.
기구에 대해 또 다른 관점에서 정의할 수 있습니다.
● 여러 개의 링크가 조합되어 있는데 1개의 링크를 고정했을 경우, 다른 링크가 구속된 운동을 하는 것과 기계가 운동하는 부분을 기하학적인 형상으로 표현한 것을 기구라고 합니다. 메커니즘(기구)의 각 부분은 재료, 재질, 굵기, 무게, 색상 등에 관계없이 특정한 선(기하학적인 형상)으로 표현할 수 있습니다. 단, 각 부분의 길이의 비율은 운동의 특성과 형태를 결정짓는 중요한 요소이므로 반드시 고려해야 합니다!
예를 들면 다음과 같이 4절 크랭크 기구 중 한 가지인 레버 크랭크 기구(크랭크 로커라고도 함)는 4개의 링크가 연결되어 있습니다. 이 중 바닥의 q링크를 고정하고 왼쪽의 S링크가 회전운동을 하면 중간의 l링크가 구속된 평면운동을 하면서 운동을 전달하고 오른쪽의 p링크는 구속된 원호운동을 합니다. 회전운동, 평면운동, 원호운동은 뒤에서 자세히 다루겠습니다.
레버 크랭크(크랭크 로커) 기구의 작동 영상을 보면 쉽게 이해가 될 것입니다. 회색 링크를 고정한 상태에서 초록색 링크가 회전운동을 하면 노란색 연결 링크는 평면운동을 하고 빨간색 링크는 왕복 원호운동을 합니다.
기계적 운동
앞에서 기구는 구속되고 일정하고 제한되고 한정된 운동을 한다고 했는데요. 이러한 기구의 운동을 기계적 운동이라고 합니다.
기계적 운동은 다음과 같이 세부적으로 분류할 수 있습니다.
기계적 운동은 크게 2종류의 운동으로 나눌 수 있습니다. 연속적인가? 왕복하는가? 간헐적인가? 와 같이 운동의 특성에 따라 1종운동으로 분류하고, 운동의 모양이나 형태에 따라 2종운동으로 분류합니다. 평면운동은 2차원 평면상에서 일어나는 운동이고, 나사선운동 및 구면운동은 3차원 공간상에서 일어나는 입체운동입니다. 기계적 운동은 1종운동 또는 2종운동이 개별적으로 나타나지 않고 조합되어 복합적으로 나타납니다. 따라서 (연속) 회전운동, 왕복 직선운동, 왕복 원호운동, 간헐적 회전운동과 같이 표현할 수 있습니다. 연속운동이 일반적인 운동이므로 연속 회전운동에서 (연속)은 생략할 수 있습니다.
기계적 운동의 세부 분류에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보겠습니다.
1-1. 연속운동
운동하는 물체의 각 점의 궤적이 그리는 시작점과 끝점이 같은 폐곡선을 이루는 운동입니다. 예를 들면 (연속) 원운동과 (연속) 타원운동 등이 있습니다.
다음 영상에서 노란색 링크의 끝부분을 자세히 관찰해 보세요. 타원의 궤적을 연속적으로 그리는 (연속) 타원운동을 합니다.
1-2. 왕복운동
운동하는 물체의 각 점이 일정한 궤적을 갔다가 다시 그 궤적을 돌아오는 운동입니다. 예를 들면 왕복 직선운동과 왕복 원호운동 등이 있습니다.
실린더 안에서 움직이는 피스톤은 앞뒤로 반복적으로 이동하면서 왕복 직선운동을 합니다.
앞에서 살펴보았던 레버 크랭크 기구의 빨간색 링크가 왕복 원호운동을 합니다.
다음은 왕복 직선운동과 왕복 원호운동을 동시에 보여주는 메커니즘 모형에 대한 영상입니다.
1-3. 간헐운동
운동하는 물체가 일정한 시간 간격을 두고 운동과 정지를 되풀이하는 운동입니다. 예를 들면 간헐적 회전운동과 간헐적 직선운동이 있습니다.
다음은 [도서] "레고로 배우는 기계의 운동원리 152"에서 다루는 M40, M64, M96 모형을 조합한 간헐적 회전운동 모형의 작동 영상입니다. 위와 아래쪽에 있는 하얀색 바퀴와 스퍼기어가 각각 간헐적으로 회전하는 것을 볼 수 있습니다. 오렌지색 브릭을 주의 깊게 봐주세요.
다음은 [도서] "레고로 배우는 기계의 운동원리 152'에서 소개하는 M152 모형과 작동원리가 유사한 모형입니다. 컨베이어 벨트를 타고 연속적으로 이송하는 것과 달리 이 장치는 부품을 간헐적으로 이송할 수 있습니다.
2-1. 평면운동
운동하는 물체의 각 점이 주어진 한 평면에 나란히 움직이는 운동 또는 운동하는 물체의 각 점이 하나의 평면 위에서 위치를 바꾸는 운동입니다. 이러한 평면운동은 회전운동과 병진운동으로 나눌 수 있습니다.
예를 들면 레버 크랭크 기구에서 노란색 연결 링크의 운동, 타원형의 궤적, 계란형의 궤적, 호킨 근사 직선운동 기구, 회전하면서 굴러가는 바퀴 등의 운동은 회전운동과 병진운동을 동시에 하는 평면운동입니다.
다음 영상은 입력 링크와 출력 링크 사이에 있는 노란색 연결 링크의 운동으로 평면운동을 합니다. 반투명하게 처리한 회색 고정 링크가 고정된 상태에서 빨간색 슬라이더는 왕복 직선운동을 하고 초록색 링크는 (연속) 회전운동을 합니다.
다음 영상은 호킨 근사 직선운동 기구로서 노란색 링크의 끝점은 마치 D를 왼쪽으로 90도 돌린 모양의 궤적을 그리는 평면운동을 합니다.
다음 영상에서 굴러가는 바퀴는 회전운동 및 병진운동(직선운동과 곡선운동) 중의 직선운동을 동시에 하는 평면운동을 합니다.
앞에서 살펴본 2종 운동 중의 하나인 평면운동은 회전운동과 병진운동으로 나눌 수 있습니다. 반대로 회전운동과 병진운동을 동시에 하면 평면운동이 됩니다.
2-1-1. 회전운동
평면운동에 속하는 회전운동은 다시 원운동과 원호운동으로 나눌 수 있습니다. 반대로 원운동과 원호운동을 동시에 하면 회전운동이 됩니다.
2-1-2. 병진운동
평면운동에 속하는 병진운동은 다시 직선운동과 곡선운동으로 나눌 수 있습니다. 반대로 직선운동과 곡선운동을 동시에 하면 병진운동이 됩니다.
2-2. 나사선운동
운동하는 물체의 각 점이 주어진 한 축의 둘레를 일정한 속도로 회전하면서 동시에 축 방향으로 진행하는 운동입니다. 예를 들면 볼트(수나사)와 너트(암나사), 우드 커팅머신은 나사선운동을 합니다.
다음 영상은 나사선운동을 응용해서 나무를 자르는 우드 커팅 머신입니다. 칼날 부분이 나사산 모양으로 가공되어 있어서 회전하면서 날 부분이 축방향으로 이동하기 때문에 나무의 단면을 자를 수 있습니다.
2-3. 구면운동
운동하는 물체의 각 점이 주어진 1개의 점(중심점)과 정해진 거리를 두고 움직이는 운동입니다. 예를 들면 기계 분야에서는 유니버설 조인트의 십자축의 운동, 원심 조속기의 추의 운동, 볼 조인트 등에서 볼 수 있고, 일상생활에서는 천장형 선풍기나 조이스틱 등에서 볼 수 있습니다.
다음 영상은 유니버설 조인트 모형으로 중간의 노란색 십자축이 구면운동을 합니다. 초록색 링크와 빨간색 링크는 각각 회전운동을 합니다.
초록색 볼과 볼을 감싸는 회색 소켓이 구면 접촉하면서 상대운동으로 구면운동을 합니다.
다음은 볼 조인트(볼과 소켓)의 작동 영상입니다.
요즘 세대들은 잘 모르겠지만 중장년 세대의 경우 에어컨이 대중화되지 않았던 어린 시절 한 여름에 지하철을 타고 다닐 때 천장에 설치된 선풍기 바람을 쐬기 위해 자리다툼을 하던 기억이 있을 것입니다.
천장이나 벽면에 설치된 선풍기의 운동을 자세히 관찰해 보면 날개가 바람을 일으키기 위해 회전하면서 동시에 바람을 넓은 공간으로 퍼지게 하기위해 공간상에서 구면을 그리는 운동을 합니다. 즉, 공간을 운동하는 선풍기 날개(또는 보호망) 상의 각 점은 중심점(고정점)으로부터 반지름이 일정한 구면 위를 움직이는 구면운동을 합니다. 왜냐하면 선풍기의 날개와 보호망을 돌리는 "목놀림 장치"가 "구면운동 기구"를 사용하고 있기 때문입니다.
지금까지 메커니즘, 기구, 기계적 운동에 대해 살펴보았습니다. 메커니즘(mechanism)과 기구(機構)의 개념을 이해하고 다양한 종류의 기계적인 운동을 알고 있으면 움직이는 사물 속에 숨겨진 비밀을 푸는데 많은 도움이 될 것입니다. 일상생활 속에서 1종운동과 2종운동이 조합된 기계적 운동을 찾아보는 기회가 되길 바랍니다.
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