그 가위, 억지로 쓰고 있나요? ‘지레’와 ‘일의 원리’로 도구 선택이 달라진다!

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험의 연속!

여러분, 안녕하세요! 서랍 속에 있는 가위나 펜치, 혹시 무심코 사용하고 있지는 않으신가요? 만약 도구 속에 숨겨진 ‘힘의 법칙’을 알게 되어 당신의 일상이 더 스마트하고 재미있어진다면 어떨까요? 사실 우리가 당연하게 사용하는 도구들에는 학창 시절에 배운 ‘과학 법칙’이 가득 담겨 있답니다. 이번에는 우리 주변의 흔한 도구에 숨겨진, 고대의 현자 아르키메데스도 사랑했다는 물리 법칙의 비밀을 파헤쳐 보겠습니다. 자, 먼저 워밍업 퀴즈부터 시작해 볼까요?

【깜짝 퀴즈】 굵은 철사, 어떤 도구로 잘라야 할까?

지금 당신 앞에는 꼭 잘라야만 하는 굵은 철사 한 개가 놓여 있습니다. 당신의 손에 들린 도구는 세 가지. 과연 어떤 도구를 사용해야 가장 편하게 자를 수 있을까요?

A：가위

B：니퍼

C：롱노즈 플라이어

직감으로 한번 골라보세요. 그 정답 뒤에는 세상을 움직이는 위대한 원리가 숨어 있답니다.

과학의 마법 ‘지레의 원리’를 마스터해 보세요!

이 수수께끼를 푸는 열쇠는 바로 초등학교 때 배운 ‘지레의 원리’입니다. 시소에서 몸무게가 다른 친구와 균형을 맞추거나, 무거운 물건을 막대기 하나로 들어 올리는 등 신기한 현상들의 정체가 바로 이것이죠.

이 원리는 ‘돌림힘(토크)’이라는 개념으로 깔끔하게 이해할 수 있습니다. ‘돌림힘’이라는 말이 조금 어렵게 들릴 수 있지만, 간단히 말해 ‘물체를 회전시키는 힘의 파워’를 의미합니다. 이때 회전의 중심이 되는 곳이 ‘받침점’, 우리가 힘을 가하는 곳이 ‘힘점’, 그리고 철사에 힘이 전달되는 곳이 ‘작용점’입니다. 이 세 지점 사이의 ‘거리’야말로 힘을 증폭시키는 비밀의 핵심입니다.

F1×A=F2×B

이 공식이 의미하는 바는, ‘받침점에서 힘점까지의 거리(A)가 길수록, 그리고 받침점에서 작용점까지의 거리(B)가 짧을수록, 작은 힘(F1)으로 엄청나게 큰 힘(F2)을 만들어낼 수 있다’는, 그야말로 마법 같은 법칙입니다. 예를 들어 아래 사진 속 도구는 힘점에서 받침점까지의 거리가 길기 때문에 더 큰 힘을 낼 수 있는 것이죠.

도구들을 과학의 메스로 해부해 봅시다!

자, 그럼 ‘지레의 원리’라는 메스를 이용해 세 가지 도구의 구조를 파헤쳐 볼까요?

가위: 스피드 중시 장거리 러너 🏃

가위는 받침점에서 손잡이(힘점)까지의 거리에 비해 칼날(작용점)이 긴 것이 특징입니다. 이것은 종이 등을 ‘한 번에 긴 거리를 쓱’ 자르기 위한 설계입니다. 스피드와 범위를 중요시하는 대신, 단단한 물건을 자르는 파워는 조금 부족한 편이죠.

니퍼: 한 점 집중 역도 선수 🏋️

니퍼의 구조를 보세요! 손잡이(힘점)는 길고, 칼날(작용점)은 받침점 바로 근처에 있습니다. 이것이야말로 ‘지레의 원리’를 최대한으로 활용한 파워 중심의 설계! 우리의 작은 힘을 거대한 절단력으로 바꿔주는 든든한 일꾼입니다.

롱노즈 플라이어: 섬세한 기술이 빛나는 기술자 👨‍🔧

롱노즈 플라이어는 물건을 잡거나 구부리는 등 정밀한 작업에 강합니다. 자르는 날도 붙어 있지만, 그 위치가 니퍼만큼 받침점에 가깝지는 않습니다. 그래서 자르는 힘은 가위보다 강하지만, 파워에 특화된 니퍼에게는 한 수 양보해야 하는 다재다능한 기술자 타입입니다.

정답 발표 및 ‘일의 원리’

이제 아시겠죠? 지레의 원리로 생각해 보면, 힘의 세기는…

니퍼 > 롱노즈 플라이어 > 가위

즉, 정답은 B였습니다!

이 문제를 통해 우리는 ‘도구에는 각자 잘하는 역할이 있다’는 ‘적재적소(適材適所)’의 철학을 엿볼 수 있습니다. 단단한 철사를 가위로 억지로 자르려다간 날이 망가져 도구를 못 쓰게 될 수도 있습니다. 도구의 성능을 최대한으로 끌어내려면, 과학의 눈으로 그 구조를 이해하는 것이 중요하답니다.

우리 주변의 도구와 ‘일의 원리’라는 ‘대가’

자, 이제 우리 주변을 더 탐험해 볼까요? 예를 들어, 단단한 손톱을 ‘똑’ 하고 잘라주는 손톱깎기.

사실 손톱깎기는 지레를 두 개나 합친 ‘이중 지레’ 구조입니다! 지레의 마법을 두 번 연속으로 걸어서 엄청난 힘을 만들어냈던 것이죠. 하지만 물리의 세계는 정직합니다. ‘일의 원리’라는 절대적인 법칙이 있어서, 세상에 공짜는 없답니다.

일 = 힘 × 이동 거리

이 공식은 ‘어떤 도구를 사용하든, 일의 총량은 변하지 않는다’는 것을 의미합니다. 손톱깎기나 니퍼는 힘을 키우는 ‘이득’을 얻는 대신, 손잡이를 더 많이 움직여야 하는 ‘대가’를 치르는 셈이죠.

힘을 버리고, 조작성을 얻은 도구들

그렇다면 핀셋이나 집게는 어떨까요?

놀랍게도, 이 도구들은 니퍼와는 정반대입니다! 받침점에서 작용점까지의 거리가 더 길어서, 가한 힘보다 오히려 작은 힘이 전달됩니다. 일부러 힘을 희생하도록 설계된 것이죠. 그 목적은 바로 ‘이동 거리(조작성)’를 얻기 위해서입니다. 손을 조금만 움직여도 끝부분이 크게 움직이기 때문에, 섬세한 작업을 하거나 뜨거운 물건을 안전하게 집을 수 있는 것입니다. 이것이야말로 진정한 트레이드오프(trade-off)네요!

드라이버와 문고리의 비밀스러운 관계

마지막 수수께끼입니다. 왜 드라이버는 손잡이 굵기가 저마다 다를까요?

힌트는 바로 이 문고리입니다. 문을 여는 데 왜 굳이 손잡이가 달려 있는 걸까요?

정답은, 둘 다 ‘지레의 원리’의 사촌 격인 ‘축바퀴’라는 구조를 사용하기 때문입니다. 손잡이나 문고리처럼 큰 원을 돌리는 작은 힘이, 나사나 문축 같은 작은 원을 돌리는 큰 힘으로 바뀌는 것이죠. 그래서 굵은 손잡이의 드라이버가 꽉 조여진 나사를 더 쉽게 풀 수 있었던 거랍니다!

세상은 과학의 수수께끼로 가득 차 있답니다!

과학의 힘을 빌려 우리의 삶을 풍요롭게 만들어주는 마법 같은 도구들. 다음에 도구를 손에 쥘 때, 오늘 이야기를 꼭 한번 떠올려 보세요. 분명 평범했던 세상이 훨씬 더 재미있고 빛나 보일 거예요. 여러분의 주변에는 또 어떤 과학이 숨어 있을까요? 😉

문의 및 의뢰 안내

과학의 신비함과 재미를 더 가까이! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리하고 있습니다. 여러 가지 키워드로 검색해 보세요!

・운영자 쿠와코 켄(桑子研) 소개는 여기
・각종 의뢰 (집필・강연・실험교실・TV 감수・출연 등)는 여기
・새 글 소식은 X(구 트위터)에서 받아보세요!

과학 콘텐츠 채널에서 실험 영상을 공개하고 있습니다!