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시간을 알려주는 기계! ‘시계의 원리’

  • 2015.08.25.
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20150825_한수원_시계_01

 

‘시간’은 우리가 인지하지도 못하는 순간에도 매 순간 흘러갑니다. 우주에서 시간이 없다는 것은 상상조차 할 수 없습니다. 그 유구하게 흘러가는 시간 속 우리의 시간은 유한합니다.

그렇기에 주어진 시간을 어떻게 활용하느냐는 삶에 있어 매우 중요한 문제입니다. 특히나 요즘 바쁜 현대인들에게는 매 순간, 매초를 확인하는 것이 필수적인 일로 자리 잡았습니다.

인류는 오래전부터 생활의 편이와 행정적인 통제를 위하여 시간을 이용하였고, 여러 가지 방법으로 측정해왔습니다.

초기에는 해시계, 물시계 등의 간단한 기구의 시계가 고안되어 사용되었으며, 더 정확한 시계를 만들기 위한 노력이 이어졌습니다. 과학기술이 발달되고 추의 운동이 일정하다는 것을 이용해 만들어진 진자시계를 기점으로 전자시계, 원자시계 등이 만들어집니다.

오늘은 이러한 ‘시계’가 어떻게 작동하는지에 대해서 알아보겠습니다.

 

◆ 기계식 시계의 구조

우리가 일상에서 보는 시계는 작동방식에 따라 크게 건전지의 힘으로 작동되는 전자식 시계, ‘태엽’에 힘에 의해 움직이는 기계식 시계로 나뉩니다.

기계식시계는 전자식시계가 등장하기 아주 오래 전부터 사용되고 있는 시계입니다. 즉, 전력이나 전자회로가 등장하기 이전 시대의 것입니다. 그렇다면 어떻게 시계가 작동하는 것일까요?

기계식 시계의 내부는 그 기능에 따라 크게 다섯 가지 부분으로 나눌 수 있습니다.

1 에너지를 공급하는 장치: 용두, 태엽통(1번 wheel)

2 에너지를 시계내부로 전달하는 장치: 2~4번 wheel (톱니바퀴)

3 에너지가 한꺼번에 손실되지 않게 하는 장치: 탈진바퀴, 앵커

4 규칙적인 시간의 흐름을 가능하게 하는 장치: 탈진기

5 시간을 나타내주는 장치: 초침, 분침, 시침

 

20150825_한수원_시계_02

 

◆ 기계식 시계의 작동원리

시계의 생명은 정확하게 일정한 간격의 시간으로 움직여줘야 한다는 것입니다. 시계가 움직이는 것은 시계 내부에 탑재된 ‘무브먼트’(Movement)의 작동 때문입니다. 기계식 시계 무브먼트의 작동원리는 다음과 같습니다.

1 시계의 ‘용두’를 돌리면 용두에 연결되어 있는 ‘태엽’이 감기게 됩니다. 동시에 ‘태엽통’도 같이 움직입니다.

2 감아놓은 태엽이 풀리기 시작하면, 태엽통이 같이 돌며 동력에너지를 연결되어 있는 톱니바퀴로 전달합니다.

3 이 동력은 태엽통의 톱니바퀴와 연결되어있는 2번 wheel – 3번wheel – 4번wheel – 탈진바퀴로 전달되며, ‘앵커’를 통해 ‘탈진기’로 도달합니다. 이로 인해 시계 안의 진자인 ‘탈진기’가 진동을 하게 됩니다.

4 이때 탈진바퀴와 탈진기를 연결해주는 ‘앵커’는 탈진기에 동력을 전달함과 동시에 탈진바퀴가 일정한 시간 간격으로 회전할 수 있도록 조절해주는 역할을 해서 일정한 시간의 흐름을 만들어 냅니다.

5 그 결과, 태엽 또한 일정한 흐름으로 풀리며 오랜 시간 동안 시계에 동력을 공급하게 되며, 이 움직임은 4번, 3번, 2번wheel의 초침, 분침, 시침과 연결되어 시간을 나타낼 수 있게 됩니다.

시계의 태엽은 손으로 감아주는 수동 방식과 자동으로 탈진기의 진동에 의해 태엽이 감기는 자동방식이 있으며, 최근에는 태엽을 감아주는 번거로움을 줄이기 위해 전원 장치를 사용하여 동력을 공급해주는 방식으로 많이 진화하였습니다.

 

20150825_한수원_시계_03

 

◆ 전자 시계란?

기계식 시계가 진자의 진동을 이용하여 시간을 제어하는 것이라면, 수정시계나 원자시계와 같이 ‘전자의 진동’을 이용한 것을 전자시계라 합니다.

우리가 흔히 볼 수 있는 전자식 시계는 ‘쿼츠 시계’라는 명칭으로 부르곤 합니다. 정확히 말하면, ‘쿼츠’ 무브먼트를 탑재한 시계입니다. 쿼츠란 ‘수정’(Crystal)을 뜻하는 말입니다. 흔히 전자식 시계를 쿼츠(수정)이라고 부르는 이유는 바로 그 작동원리가 수정을 이용하고 있기 때문입니다. 전자직 시계의 작동원리는 다음과 같습니다.

얇은 수정판에 전극을 붙이고 교류전압을 가하면 압전기 형상에 의해 수정판이 진동하게 되고, 여기에 전자 회로를 붙이면 진동이 유지됩니다. 이 때 진동수는 1초에 무려 3만번을 넘는다고 합니다(32,786HZ).

이 진동은 집적회로에서 초당 1회의 신호로 변환되며, 이 신호가 모터로 전달되어 시계의 침들을 돌리게 됩니다. 디지털디스플레이를 갖춘 시계에선 모터 없이 고밀도의 집적회로에서 바로 시간을 디스플레이에 표시하게 됩니다.

오늘은 ‘시계의 작동원리’에 대해 알아보았습니다. 이처럼 일상 속에 존재하는 수많은 것들은 다 저마다의 원리를 지니고 있습니다. 유익한 시간 되셨기를 바라며, 더 새로운 주제로 찾아뵙겠습니다.

 

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