힘의 전달과 확대

압력이 출력의 힘으로 변환

 유압시스템을 실제적으로 사용하기 위해서는 압력이 출력의 힘으로 변환되는 제2의 장소로 압력을 전달할 수 있어야 한다. 그림 2-3에 나타낸 시스템을 생각해 보자. 이 시스템에서 왼쪽 압력 실런더, 오른쪽은 출력 실린더이며, 이 두 개의 실린더 사이의 유체는 갇혀 있다.

넓이와 힘으로 압력을 구할 수 있다

 

 

100N의 압력 힘을 가하면, 이 힘은 넓이 0.001m2에 분산된다. 이 결과는 압력으로 나타낼 수 있다.

압력 계산식

 압력 작용하의 밀폐된 유체이므로 파스칼의 법칙을 적용한다. 따라서 출력 실린더에서의 압력도 역시 100,000N/m2이다. 출력 피스톤의 면적도 역시 10cm2이므로 출력되는 힘은

힘 계산식

이다. 따라서, 100N의 힘이 압력 실린더로부터 출력 실린더까지 유체를 통해 간단하게 전달되었다.

 유체동력을 사용할 때 가장 좋은 점 중의 하나가 힘을 확대하기 쉽다는 것이다. 이는 입력 실린더보다 큰 출력 실린더를 사용하면 사능하다. 이 시스템을 그림 2-4에 나타내었으며, 입력 실린더의 피스톤 면적은 0.001m2이고 출력 실린더의 피스톤 면적은 0.01m2이다. 앞 문제에서 100N의 힘이 0.001m2 면적에 작용한 결과 압력이 100,000Pa이 되었다. 밀폐된 압력 유체이므로 100,000Pa의 압력이 그대로 출력 피스톤에 적용된다. 출력 피스톤은 압력이 작용하는 면적이 0.01m2이므로 힘의 크기는 다음과 같다.

힘 계산식(2)

 

 

출력 피스톤과 입력 피스톤 면적의 비

 이 힘은 출력 피스톤과 입력 피스톤 면적의 비와 같은 크기로 확대되었다. 출력 피스톤 면적이 10배 크므로 출력의 힘도 10배 커졌다. 수학적으로는 다음과 같이 표현할 수 있다.

출력 힘 계산식

 이러한 힘의 확대는 놀랍게 보일 수 있다. 출력쪽에 더 큰 피스톤을 사용함으로써 하중용량을 간단히 10배 증가시켰다. 그러나 우리는 생활에서와 마찬가지로 물리학에서도 아무런 투자 없이 어떤 것을 결코 얻을 수 없다는 것을 잘 알고 있다. 힘을 얻는다면 반대로 어떤 것을 잃어야만 한다. 이를 설명하기 위해 일(work)의 개념을 도입하면 편리하다. 일은 소비되는 에너지의 양이며, 물리학에서는 작용된 힘에 그 힘으로 인해 움직인 거리를 곱한 것으로 정의된다. 식으로 나타내면 다음과 같다.

 

W=Fd

 

여기서, F=힘(N), d=이동한 거리(m), W=일(Nm)

 자연의 기본 법칙 중 하나는 어떤 시스템에서 입력한 에너지보다 더 많은 에너지를 얻어 낼 수는 없다는 것이다. 따라서 시스템에서 행해진 일은 일정한 값으로 남아 있어야 한다. 그림 2-4에 나타낸 시스템에서 출력 힘이 10배의 비율로 증가되었으므로, 행해진 일이 일정한 값을 유지하기 위해서는 같은 비율의 크기만큼 거리가 감소해야 한다. 이것은 출력 피스톤을 1cm 움직이기 위해서는 입력 피스톤을 10cm 움직여야 한다는 것을 의미한다.

그림 2-4 힘의 확대

힘에서의 이득과 거리에서의 손실 사이의 교환은 유체유동의 체적을 살펴보면 더욱 분명해진다. 밀폐된 시스템이므로 유체의 양은 일정하게 유지되어야한다. 입력 피스톤으로부터 흘러 나간 유체는 출력 피스톤으로 흘러가야 한다. 동일한 양의 유체에 대해서 출력 피스톤이 10배 크므로 입력 피스톤의 1/10만큼 움직일 것이다.