일을 할 때 사용하는 연장을 도구라고 하는데, 그중 가장 단순하면서 실용적인 도구로 막대기를 꼽을 수 있습니다.
막대기는 지렛대의 원리를 이용해 무거운 물체를 들어 올릴 수 있을 뿐만 아니라, 찌르거나 밀거나 당기는 등 다양한 방식으로 힘을 전달할 수 있습니다. 또한, 땅을 파거나, 사냥을 하거나, 무언가를 휘저으며, 방어 도구로 활용되는 등 용도가 매우 다양합니다.
초기 인류가 사용한 대표적인 도구로 돌과 막대기가 있지만, 돌은 형태가 고정적인 반면, 막대기는 더 다양한 작업에 적용할 수 있어 활용도가 높습니다.
막대기
막대기는 가느다랗고 기다란 나무의 토막을 말합니다. 깃발을 달아 세우는 데 사용하면 깃대가 되고, 새싹이 곧게 잘 자라도록 사용하면 지주대가 되고, 긴 빨랫줄이 처지지 않게 사용하거나, 천막을 설치하는 데 사용하면 지지대가 됩니다. 막대기는 단순한 모양이기 때문에 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
지렛대(지레)
막대기는 어떻게 사용하느냐에 따라 큰 힘을 내거나 쓸모 있는 도구도 될 수 있습니다. 그것은 바로 막대기를 "지렛대(지레)"로 사용하는 것입니다.
막대기를 지렛대로 사용하는 자세한 방법은 "지렛대(지레)의 원리, 종류, 용도, 실생활 응용 사례" 편을 참고 바랍니다.
[M1,M2,M3 응용 p.31] 지레 지렛대의 원리, 종류, 용도, 실생활 응용 사례
안녕하세요. 일상생활 속에서 기술과 공학을 쉽게 접할 수 있도록 힘쓰고 있는 CRK입니다. 이번에는 일...
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지팡이, 방망이, 몽둥이, 깃대, 지주대, 지지대와 같은 막대기는 지레뿐만 아니라 링크(link)로도 사용할 수 있습니다. 이번 글은 막대기 출신의 링크(link)에 대한 이야기입니다.
링크(link)
링크(link)는 사전적으로 두 사물 사이의 “관련”, “연결”을 의미합니다. 기계분야에서 링크는 직접적인 "연결"을 의미하는 물리적인 개념입니다. 한마디로 링크 = 연결입니다. 외부에서 힘을 받아도 형태와 크기가 변하지 않고 2개 이상의 접촉부를 통해 힘과 운동을 전달시키는 강한 물체(rigid body)를 링크(link)라고 합니다.
쉽게 말하면 양 끝에 접촉할 수 있는 구멍이 있어서 핀이나 축(샤프트) 등으로 연결할 수 있도록 만든 길고 단단한 막대기입니다. 이러한 두 링크를 서로 연결하면 링크 장치(또는 링키지, linkage)가 됩니다.
링크(link)의 조건
막대기를 링크로 사용하려면 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.
1. 힘을 받아도 형태와 크기가 변하지 않는 강한 막대기 --> 강체(rigid body)
2. 두 개 이상의 접촉부를 가진 막대기 --> 두 방향 이상의 연결 가능
3. 힘과 운동을 전달하는 막대기 --> 동력 전달 가능
즉, 외부에서 힘을 받아도 늘어나거나 휘지 않는 강한 물체(rigid body)이면서 두 방향 이상으로 연결해서 동력을 전달할 수 있어야 링크가 됩니다.
지팡이, 방망이, 몽둥이, 깃대, 지주대, 지지대와 같은 단단한 막대기의 경우 첫 번째 조건은 만족합니다. 하지만 두 방향 이상으로 연결하는 접촉부가 없고 이로 인해 동력(힘과 운동)을 전달할 수 없기 때문에 링크로 사용하지 못하는 것입니다.
링크(link)의 종류
링크는 다음과 같이 짝을 이루는(접촉하면서 상대운동을 하는) 개수에 따라 분류할 수 있습니다. 링크의 조건에서 살펴보았듯이 두 방향 이상으로 연결하려면 접촉해서 상대운동하는 상대(짝)가 2개 이상이어야 합니다.
짝에 대한 상세한 내용은 "기계요소와 짝" 편을 참고 바랍니다.
짚신도 짝이 있다~기계요소와 짝(대우 對偶) 이야기
볼트, 너트, 축, 링크, 기어, 캠 등의 공통점은 무엇일까요? 그것은 바로 기계를 구성하고 있는 가장 작은 단위의 부품이라는 것입니다. 이렇게 기계를 구성하고 있는 최소 단위를 기계요소라고
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짝을 이루는 개수 2개 --> 2짝 링크 (중간에서 양다리를 걸치는 링크)
짝을 이루는 개수 3개 --> 3짝 링크 (중간에서 세다리를 걸치는 링크)
짝을 이루는 개수 4개 --> 4짝 링크 (중간에서 네다리를 걸치는 링크)
1. 2짝 링크(1) : 회전짝 2개
짝을 이루는(접촉하면서 상대운동을 하는) 개수가 2개인 링크로 회전짝이 2개입니다. 한마디로 중간에서 양다리를 거치는 링크를 말합니다. 이쪽과도 짝을 이루고 저쪽과도 짝을 이룹니다. 우리가 흔히 말하는 "링크"는 바로 "2짝 링크"를 의미합니다. 짝을 이루는 개수가 2개인 2짝 링크에는 크랭크(회전운동을 하는 링크), 레버(왕복 원호운동을 하는 링크), 연결 링크(평면운동을 하는 링크) 등이 있습니다.
평면운동, 회전운동, 왕복 원호운동 등의 기계적 운동에 대한 상세한 내용은 "메커니즘, 기구, 기계적 운동" 편을 참고 바랍니다.
메커니즘(mechanism), 기구(機構), 기계적 운동(mechanical motion)
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.
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회전짝이 2개인 2짝 링크는 다음과 같이 표시합니다. 원은 회전짝을 의미하고 직선은 링크를 의미합니다.
2. 2짝 링크(2) : 회전짝 1개, 미끄럼짝 1개
앞에서 살펴본 2짝 링크(1)은 회전짝만 2개인 경우입니다. 또한 회전짝 1개와 미끄럼짝 1개로 이루어진 2짝 링크(2)도 있습니다. 예를 들면 슬라이더 또는 피스톤 등이 있습니다. 즉, 슬라이더는 일종의 "2짝 링크"입니다.
직선운동을 안내하는 가이드와 짝을 이루는 슬라이드의 경우 한쪽은 다른 링크와 회전짝(접촉하면서 상대운동으로 회전운동)을 이루지만, 다른 한쪽은 가이드와 미끄럼짝(접촉하면서 상대운동으로 미끄럼운동)을 이룹니다.
가이드와 슬라이더와 같은 원리로, 직선운동을 안내하는 실린더와 짝을 이루는 피스톤의 경우, 한쪽 구멍 부분은 다른 링크와 회전짝을 이루지만 반대쪽 원통 부분은 실린더와 미끄럼짝을 이룹니다.
회전짝 1개와 미끄럼짝 1개인 2짝 링크(2)는 다음과 같이 표시합니다. 원은 회전짝, 4각형은 미끄럼짝, 직선은 링크를 각각 의미합니다.
3. 3짝 링크
짝을 이루는 (접촉하면서 상대운동을 하는) 개수가 3개인 링크로 회전짝이 3개입니다. 한마디로 세 다리를 거치는 링크이므로 3방향으로 힘과 운동을 전달할 수 있습니다.
예를 들면 다음 영상과 같이 테오 얀센 링크 기구에도 3짝 링크가 사용됩니다. 잘 보이나요?
[퀴즈 1] 테오 얀센 링크 기구에 사용 중인 3짝 링크는 모두 몇 개인가요? 댓글로 남겨 주세요.
4. 4짝 링크
짝을 이루는 (접촉하면서 상대운동을 하는) 개수가 4개인 링크로 회전짝이 4개입니다. 한마디로 네다리를 거치는 링크이므로 4방향으로 힘과 운동을 전달할 수 있습니다.
링크(link)의 운동
막대기가 자격을 갖추어서 마침내 링크가 되었습니다. 이러한 링크는 사용하는 개수와 연결하는 방법에 따라 다양한 운동을 만들 수 있습니다.
1. 링크 1개의 운동 --> 막대기(도구)
링크 한 개만 사용할 경우 접촉하면서 상대운동하는 짝이 없습니다. 즉, 접촉할 상대가 없습니다. 짝이 없는 링크는 단순한 막대기가 되므로 지팡이, 방망이, 몽둥이, 지렛대와 같은 도구로 사용할 수 있습니다.
2. 링크 2개의 운동 --> 링크 장치(도구)
링크 2개를 사용할 경우 이때부터 한 곳에서 접촉할 상대가 생기고 "연결"이 가능합니다. 즉, 한 곳에서 접촉하면서 상대운동으로 회전운동을 하는 회전짝을 이룰 수 있습니다. 링크 2개를 연결하면 회전짝이 1개인 링크 장치(링키지, linkage)가 됩니다. 말이나 소의 먹이를 써는 작두, 종이나 천을 자르는 재단기, 절단기와 같은 도구에서 볼 수 있습니다.
3. 링크 3개의 운동 --> 링크 장치(고정 연쇄, 구조물)
링크 3개를 순서대로 연결하여 폐쇄형으로 하면 움직이지 못하기 때문에 고정연쇄라고 합니다. 접촉할 상대는 있어서 연결이 가능하지만 서로 움직이지 못하기 때문에 상대운동은 없습니다. 따라서 링크 3개를 폐쇄형으로 연결하면 하나의 구조물 같은 링크 장치(링키지, linkage)가 됩니다.
이런 구조는 다리, 건물 등의 골조 구조, 무대조명용 트러스, 구면 트러스 등에 많이 사용합니다. 트러스란 막대 3개를 3각형으로 조립한 구조를 말합니다.
바닥이 잘린 구 모양의 건축물인 지오데식 돔의 경우 트러스 구조인데요. 3각형의 트러스가 평면 트러스가 아닌 구면 트러스로 이루어져 있습니다. 이로 인해 삼각형의 모서리와 면으로 응력(단위면적당 저항력)을 분산시켜 껍질만으로 무거운 하중을 지탱할 수 있습니다.
다음은 무대 조명용 트러스입니다. 3각형 모양의 트러스가 많이 조합되어 있다는 것을 알 수 있습니다.
[퀴즈 2] 트러스는 모두 몇 개인가요? 댓글로 남겨주세요.
4. 링크 4개의 운동 --> 링크 기구(한정 연쇄)
링크 3개를 폐쇄형으로 연결하면 움직이지 못하는 고정연쇄가 되지만, 링크 4개를 순서대로 연결해서 폐쇄형으로 하면 한정된(구속된, 제한된, 일정한) 운동을 하기 때문에 한정연쇄(closed chain, 限定連鎖)라고 합니다. 이때부터 기계적 운동을 할 수 있기 때문에 링크 장치(링키지)는 링크 기구(link mechanism)가 됩니다.
앞에서 막대기, 링크(link), 링크 장치(linkage)에 대해 살펴보았는데 링크 기구(link mechanism)라는 용어가 처음으로 나왔네요. 링크 기구는 링크의 접촉에 의해 힘과 운동을 전달하는 기구를 말합니다. 접촉한 링크는 상대운동으로 회전운동 또는 미끄럼운동을 하는데요. 구속된(일정한, 제한된, 한정된) 기계적 운동을 합니다.
링크 기구 중에 링크 4개가 접촉하면서 상대운동으로 회전운동을 하고 구속된 기계적 운동을 하는 링크 기구를 4절 링크 기구(또는 4절 크랭크 기구)라고 합니다. 링크 기구(link mechanism)가 링크(link)나 링크 장치(linkage)와 다른 점은 바로 기계적인 운동 즉, 예측 가능한 운동을 할 수 있다는 것입니다. 따라서 링크 기구는 일반적인 기계에서 많이 볼 수 있습니다. 4절 링크(크랭크) 기구에 대해서는 다음에 자세히 이야기하는 기회를 만들어보겠습니다.
4절 링크 기구는 다음과 같이 형이상학적인 도형으로 표시할 수 있습니다. 원은 회전짝을, 직선은 링크를 의미합니다. 회전짝 4개와 링크 4개로 이루어져 있습니다.
5. 링크 5개의 운동 --> 링크 기구(불한정 연쇄)
링크 4개를 폐쇄형으로 연결한 한정연쇄와 달리, 링크 5개를 폐쇄형으로 연결하면 한정되지 않은(예측할 수 없는) 운동을 하기 때문에 불한정연쇄라고 합니다.
5절 링크 기구도 다음과 같이 형이상학적인 도형으로 표시할 수 있습니다. 원은 회전짝을 의미하고 직선은 링크를 의미합니다. 회전짝 5개와 링크 5개로 이루어져 있습니다.
이러한 링크 5개가 접촉하면서 상대운동으로 회전운동을 하지만, 구속된 기계적 운동이 아니기 때문에 운동을 예측할 수 없습니다. 따라서 5절 링크 기구 자체는 기계에 사용할 수 없습니다. 하지만 방법이 없는 것은 아닙니다. 링크 1개를 추가하면 다시 예측 가능한 기계적 운동으로 만들 수 있습니다.
6. 링크 6개의 운동 --> 링크 기구(한정 연쇄)
링크 5개를 폐쇄형으로 연결한 5절 링크에 빨간색 화살표와 같이 링크 1개를 추가로 연결하면 6절 링크 기구가 됩니다. 불한정연쇄가 한정연쇄가 되기 때문에 기계에서 사용할 수 있습니다.
6절 링크 기구도 다음과 같이 형이상학적인 도형으로 표시할 수 있습니다. 원은 회전짝을 의미하고 직선은 링크를 의미합니다. 회전짝 6개와 링크 6개로 이루어져 있습니다.
[퀴즈 3] 앞에서 2짝 링크, 3짝 링크, 4짝 링크와 같이 링크의 종류를 배웠습니다. 6절 링크 기구를 자세히 살펴보면 종류가 다른 링크가 1개 있습니다. 해당 링크의 번호를 찾아서 댓글로 남겨주세요.
지금까지 막대기, 지레, 링크, 링크 장치, 링크 기구에 대해 살펴보았습니다. 가장 단순한 도구인 막대기는 사용 방법에 따라 다양한 역할을 수행할 수 있으며, 기계 구조의 기본 원리에도 적용될 수 있음을 확인할 수 있었습니다.
이를 통해 막대기가 단순한 도구를 넘어, 인류의 삶과 기술 발전에 기여한 중요한 요소임을 다시금 깨닫게 됩니다. 일상 속에서 막대기의 활용 가치를 재발견하고, 그 원리를 이해하는 기회가 되길 바랍니다.
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