왕복 운동이 회전 운동으로 바뀌는 원리는 무엇인가요

Question

도구 중에 보면 크랭크라는 것이 있는데 이것이 왕복 운동이나 회전 운동을 회전 운동이나 왕복 운동으로 바꿔 준다고 하네요 어떤 원리로 그렇게 되는 건가요

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

크랭크의 원리는 직선으로 왔다 갔다 하는 움직임과 빙글빙글 도는 움직임을 서로 이어주는 다리 같은 거예요. 핵심은 중심에서 벗어난 곳에 연결점을 두는 데 있어요. 이 한 가지 장치가 두 운동을 자유롭게 변환하게 해주거든요.

먼저 회전을 왕복으로 바꾸는 경우부터 볼게요. 회전하는 원판이 있고, 그 원판의 중심이 아니라 가장자리 한 점에 막대를 연결한다고 상상해보세요. 이 막대의 반대쪽 끝은 직선 레일 위에서만 움직일 수 있게 고정돼 있어요. 원판이 빙글 돌면 연결점은 원을 그리며 도는데, 막대로 이어진 반대쪽 끝은 레일에 갇혀 있으니 원을 따라 못 돌고 앞뒤로 밀렸다 당겨졌다만 해요. 연결점이 원의 위쪽에 있을 때는 막대를 한쪽 끝까지 밀고, 아래쪽으로 돌아오면 막대를 반대쪽으로 당기는 거예요. 그래서 원판이 한 바퀴 돌 때마다 막대 끝은 한 번 갔다가 한 번 돌아오는 왕복 운동을 하게 돼요.

반대로 왕복을 회전으로 바꾸는 것도 같은 구조를 거꾸로 쓰는 거예요. 막대를 앞뒤로 밀었다 당겼다 하면, 그 막대가 원판 가장자리의 연결점을 밀어요. 연결점은 중심에서 벗어나 있으니까 막대가 밀 때마다 원판이 그 점을 따라 빙글 돌아가요. 미는 힘이 중심을 비껴서 작용하니까 원판을 회전시키는 돌림힘이 생기는 거예요. 막대가 한 번 왕복하면 원판이 한 바퀴 도는 식이죠.

가장 친숙한 예가 자전거 페달이에요. 다리로 페달을 위아래로 밟는 건 일종의 왕복에 가까운 움직임인데, 페달이 바퀴 축 중심에서 벗어난 크랭크 암 끝에 달려 있어서 그 밟는 힘이 축을 회전시켜요. 자동차 엔진은 더 극적이에요. 연료가 폭발하면서 피스톤을 위아래로 밀어내는 직선 왕복 운동이 일어나는데, 이게 크랭크축을 통해 바퀴를 굴리는 회전 운동으로 바뀌어요. 기차의 증기기관도 마찬가지로 피스톤의 왕복이 커다란 바퀴의 회전으로 변환되는 거고요.

여기서 한 가지 재미있는 점이 있어요. 회전을 왕복으로 바꿀 때는 문제가 없는데, 왕복을 회전으로 바꿀 때는 막대가 정확히 일직선이 되는 순간 힘이 원판을 돌리지 못하고 그냥 누르기만 하는 지점이 생겨요. 이걸 사점이라고 해요. 자전거 페달이 맨 위나 맨 아래에 딱 왔을 때 힘이 잘 안 들어가는 그 순간이에요. 그래서 실제 기계에서는 무거운 바퀴인 플라이휠을 달아서 그 관성으로 이 멈칫하는 지점을 부드럽게 넘기거나, 여러 개의 피스톤을 엇갈리게 배치해서 한쪽이 사점일 때 다른 쪽이 힘을 내도록 만들어요.

정리하면 크랭크는 회전축의 중심에서 벗어난 점에 막대를 연결해서, 도는 움직임을 직선 왕복으로 또는 직선 왕복을 도는 움직임으로 바꿔주는 장치예요. 중심을 비껴난 연결점 하나가 두 세계를 이어주는 셈이라, 엔진부터 자전거까지 수많은 기계의 심장 역할을 하고 있는 거랍니다 :)