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빗면을 이용하는 ‘나사(screw)의 원리’

  • 2015.09.07.
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나사의원리_01

 

자전거부터 거대한 비행기까지 우리 주변 곳곳에는 물체와 물체를 연결해주는 나사가 참 많이 있습니다.

혹시 이런 나사를 주의 깊게 살펴본 적이 있으신가요?

나사를 자세히 보면 나와있는 부분과 들어간 부분으로 나선형의 모형을 그리고 있는데요.
이 나선에는 과학의 원리가 숨어있습니다.

혹시 나사에 숨어있는 원리에 대해서 알고 계셨나요?
무심코 지나치기 쉬운데요. 오늘은 나사의 원리와 구조에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

나사의원리_02

 

◆ 나사의 구조

나사란 원통 모양에 한쪽 방향으로 계속 회전하는 홈을 파 놓은 것을 말합니다.

원통에 홈을 팔 때 원통 바깥쪽으로 홈을 판 것은 ‘수나사’라 하며 흔히들 볼트(bolt)라고 부르고 있습니다. 
원통의 안쪽으로 홈을 판 것을 ‘암나사’라 하며 ‘너트(nut)’라고 명하고 있습니다.

일상 생활에서 가장 흔하게 볼 수 있는 수나사와 암나사의 모양은 페트병 주둥이와 뚜껑이 있습니다. 나사는 매끈한 못과는 달리 바깥으로 나오고 안으로 들어간 부분이 있습니다. 즉, 요철을 지니고 있는 것인데요.

바깥으로 튀어나온 곳을 ‘산’, 안으로 들어간 곳을 ‘골’이라 하는데, ‘피치(pitch)’는 나사의 축방향으로 산과 산(골과 골) 사이 거리를 나타내며, 지름의 크기와 함께 나사의 규격을 표시하고 있습니다. 피치가 작을수록 나사선(나선) 간격은 촘촘하고 결합력이 강해지게 됩니다. 나사는 산과 골의 모양에 따라 역할이 다른데요.

나사산과 골의 모양은 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 둥근 모양 등으로 다양한데, 삼각형 모양은 주로 물체를 결합하는 데 사용하고, 사각형이나 사다리꼴은 큰 힘을 전달하는 프레스(press), 잭(jack), 바이스(vise) 등과 같은 기계에 사용합니다.

일반적으로 전구와 소켓을 연결하는 나사산은 보통 둥근 모양입니다. 먼지나 모래가 들어가기 쉬운 곳은 둥근 모양의 나사산을 사용하여 막고 있습니다.

또한 나사는 들어가는 회전 방향에 따라 오른 나사와 왼나사로 분류되기도 합니다.

 

나사의원리_03

 

◆ 나사의 원리

곧은 빗면은 쐐기로 사용되는데 이 때 빗면이 하중에 힘을 미쳐 물체를 위로 들어올리게 됩니다.
나사에 적용시켜보면 나선골의 빗면 역시 쐐기처럼 작용하게 됩니다.
쐐기는 운동 방향에 직각으로 센 힘을 가하게 됩니다.

나사도 같은 방식으로 작용하지만 회전 방향에 직각으로 힘이 미치게 됩니다.
왜냐하면 빗면을 따라 물체를 밀어올리면 작동력이 증가해 위로 올리는 센 힘이 생겨나기 때문입니다.
이러한 원리로 나사가 움직이고 있습니다.

 

나사의원리_04

 

◆ 나사가 보편화되기까지

나사가 처음 만들어진 시기는 정확하지 않지만 기원전으로 거슬러 올라가야 할 만큼 꽤 오래 전일입니다.

기원전 3세기경 아르키메데스가 배에 고인 물을 퍼 올리기 위해 나선 모양의 펌프를 만들었다는 기록은 꽤 유명한데요.
흔히 나사라고 하면 물체의 결합을 생각하기 쉽지만 이 도구는 물을 쉽게 퍼 올리기 위해 나사의 원리를 이용한 장치라고 할 수 있습니다.

나사는 레오나르도 다빈치 의 하늘을 나는 기계, 중세 기사의 갑옷 부품, 옷감이나 종이를 압착하는 기계 등의 기록에서 보듯이 꾸준히 사용되어 왔습니다.

하지만 통일되지 않은 나사의 규격과 나사산 모양 때문에 널리 사용되는 데는 아주 오랜 시간이 걸렸고 대형 사고도 발생하게 되었습니다.

예를 들면, 1990년 초 미국 볼티모어의 호텔에서 발생한 작은 불이 대형 화재 참사로 이어진 적이 있었는데, 화재 이유는 소방전과 소방호스 연결 부위의 나사 규격이 맞지 않아 물을 공급할 수 없었기 때문이었습니다.

또한 2차 세계대전 당시 고장난 미 폭격기를 최고의 기술과 장비를 자랑하는 영국으로 보냈으나 수리에 실패하게 되었는데요. 그 이유 또한 영국과 미국에서 사용하는 나사 규격이 서로 달랐기 때문이었습니다.

 

오늘은 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 나사의 원리에 대해서 알아보았는데요.

나사에도 과학의 원리가 숨어있다는 사실 알고 계셨나요? 바로 빗면을 이용한 원리였습니다.

나사가 만들어진 정확한 시기는 언제인지는 모르지만 기원전부터 사용되었다고 하니 정말 오래전부터 사용한 것은 사실입니다. 이처럼 우리 생활 속에 숨어있는 다양한 과학 원리를 알려드리는 원리 이야기 시간! 다음에도 재미있는 주제로 찾아오겠습니다.

 

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코멘트(3)

  • 문범용 2 년 전에

    좋은 글 잘읽었습니다~!!
    학교숙제로 사진을 사용해도 될까요?

  • 신예슬 2 년 전에

    좋은 글 감사합니다.
    설명이 잘 되어있어 발명 대회에 낼 계획서에 본문의 사진을 사용하고 싶은데, 혹시 허락해주실 수 있나요??^^

    • 블로그지기

      블로그지기 2 년 전에

      안녕하세요? 한수원 블로그지기 입니다. 출처를 밝히고 사용해 주시면 됩니다~^^ 감사합니다.

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