저울의 원리(2015, 고3, 7월A)

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저울은 물체의 질량이나 무게를 재는 도구이다. 그렇다면 저울은 어떤 원리로 만들어졌을까? 대표적으로 지렛대의 원리를 이용하여 물체의 질량을 측정하는 방법이 있는데, 양팔 저울과 대저울이 이에 해당된다. 또한 탄성력의 원리를 이용하여 물체의 무게를 측정하는 방법도 있는데, 가정에서 쉽게 볼 수 있는 체중 저울이 이러한 원리를 사용한 것이다.

양팔 저울은 지렛대의 중앙을 받침점으로 하고, 양쪽의 똑같은 위치에 접시를 매달거나 올려놓은 것이다. 한쪽 접시에는 측정하고자 하는 물체를, 다른 한쪽에는 분동*을 올려놓아 지렛대가 수평을 이루었을 때 분동의 질량이 바로 물체의 질량이 되는 것이다. 그런데 일반적으로 양팔 저울을 사용하여 무거운 물체의 질량을 측정하기에는 어려움이 있다. 이런 점을 보완한 것이 바로 대저울이다. 대저울의 경우 한쪽에는 측정하고자 하는 물체를, 반대쪽에는 작은 분동이나 추를 건 뒤 받침점을 움직여 지렛대가 평형을 이루는 지점을 찾아 물체의 질량을 측정한다. 대저울이 평형을 이루었을 때의 분동의 질량과 받침점의 위치를 알면, ‘물체의 질량×받침점과 물체 사이의 거리=분동의 질량×받침점과 분동 사이의 거리’라는 식을 이용하여 물체의 질량을 간단히 계산할 수 있다. 이렇게 대저울을 이용하면 작은 질량의 분동이나 추로도 이보다 상대적으로 무거운 물체의 질량을 쉽게 측정할 수 있다. 

한편, 체중 저울은 탄성력의 원리를 이용하여 물체의 무게를 측정한다. 다음 그림을 통하여 체중을 측정하는 과정을 살펴보도록 하자.

체중 저울은 지렛대, 용수철, 랙 등으로 구성되어 있다. 사람이 저울 위에 올라서면 지렛대에 힘이 작용하여 A가 아래 방향으로 힘을 받게 된다. 그러면 A와 판의 연결점인 D에도 아래 방향으로 힘이 작용하고 용수철 B 또한 늘어난다. 이때 판은 지지점 C를 중심으로 시계 방향으로 회전하고 판과 연결되어 있는 랙은 용수철 E가 있는 방향으로 이동하여 용수철 E의 길이를 줄어들게 한다. 이때 랙이 이동하여 표시판의 눈금을 움직이며 체중을 가리키게 된다.

*분동: 양팔 저울이나 대저울 따위로 질량을 측정할 때, 질량의 표준이 되는 추.

― (출전) 나카야마 히데타로, <기계의 재발견>