축바퀴

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1. 개요
2. 역사
3. 기계적 이점
- 3.1. 이상적 기계 이점 (IMA)
- 3.2. 실제 기계 이점 (AMA)
참조

1. 개요

축바퀴는 두 개의 원판 또는 원통이 같은 축을 중심으로 함께 회전하도록 조립된 간단한 기계이다. 바퀴의 역사는 기원전 6500~5100년의 할라프 문화에서 바퀴 달린 차량의 초기 모습이 나타났다는 기록으로 거슬러 올라가지만, 도자기 만드는 바퀴는 기원전 5천년기 근동에서 처음 사용되었고, 기원전 4천년기 후반에는 메소포타미아에서 바퀴 달린 차량의 증거가 나타났다. 2002년 슬로베니아에서 발견된 나무 바퀴는 기원전 3340~3030년경으로 추정된다. 바퀴와 축은 르네상스 시대에 여섯 가지 단순 기계 중 하나로 확인되었으며, 기계적 이점을 제공한다.

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축바퀴
기본 정보
축바퀴의 간단한 다이어그램
유형	단순 기계
구성 요소	바퀴 축
작동 방식	회전
상세 정보
특징	힘을 증폭시키거나 이동 거리를 늘릴 수 있음
용도	운송 기계 장치 문 손잡이 자동차 핸들
관련 개념	지레 경사면 도르래 나사 쐐기
응용 분야
예시	물레 톱니바퀴 자동차 핸들 문 손잡이 풍력 터빈 자전거 바퀴 기어 박스 믹서 전동 드릴 차축 핸드 스크루 드라이버 기중기 도르래 풍차 노
작동 원리
작동 원리 설명	작은 축을 중심으로 회전하는 큰 바퀴를 사용하여 적은 힘으로 큰 힘을 얻거나, 작은 회전으로 큰 이동 거리를 얻을 수 있다.
기타
역사	오래된 단순 기계 중 하나

2. 역사

할라프 문화에서 바퀴 달린 차량의 초기 묘사가 발견되었지만, 실제로 사용되었는지는 불분명하다. 초기 바퀴는 도자기 만드는 바퀴로 사용되었으며, 기원전 5천년기 근동에서 "투르네트" 또는 "느린 바퀴"가 알려져 있다. 이란의 테페 파르디스에서 발견된 초기 바퀴는 기원전 5200~4700년경으로 거슬러 올라가며, 진정한 도자기 바퀴는 기원전 4200~4000년 메소포타미아에서 개발되었다.^[2] 우르에서 발견된 가장 오래된 도자기 바퀴는 기원전 약 3100년경의 것이다.^[3]

기원전 4천년기 후반, 메소포타미아 수메르 문명의 우루크 유적에서 바퀴 달린 마차 묘사가 나타났고, 비슷한 시기 북 코카서스(마이콥 문화)와 동유럽(쿠쿠테니-트리필리아 문화)에서도 증거가 발견되었다. 폴란드의 브로노치스 항아리에는 기원전 3500~3350년경의 바퀴 달린 차량이 묘사되어 있다.^[5] 슬로베니아에서 발견된 류블랴나 습지 목제 바퀴는 기원전 3340~3030년경의 바퀴-축 조합이다.^[7] 초기 유럽의 바퀴와 축은 알프스 주변 유형(바퀴와 축이 함께 회전)과 바덴 문화 유형(축은 회전하지 않음) 두 가지 유형으로 나뉘며, 기원전 약 3200~3000년경으로 추정된다.^[8]

중국에서는 기원전 2000년에서 1500년 사이 칭하이에서 바퀴살 바퀴의 초기 증거가 발견되었다.^[11] 로마 이집트에서 알렉산드리아의 헤론은 바퀴와 축을 단순 기계 중 하나로 언급했으며, 이는 윈들러스 형태였을 것으로 추정된다.^[13] 르네상스 시대 과학자들은 바퀴와 축을 여섯 가지 단순 기계 중 하나로 확인했다.^[14]

2. 1. 초기 역사

할라프 문화(기원전 6500~5100년)에서 바퀴 달린 차량을 묘사한 초기 그림이 발견되었지만, 할라프인들이 실제로 바퀴 달린 차량이나 도자기 만드는 바퀴를 사용했다는 증거는 없어 논란이 있다.^[1]

바퀴의 초기 용도 중 하나는 도자기 만드는 바퀴였다. 근동에서는 기원전 5천년기부터 "투르네트" 또는 "느린 바퀴"라고 불리는 초기 형태의 도자기 바퀴가 사용되었다. 이란의 테페 파르디스에서는 기원전 5200~4700년경의 초기 도자기 바퀴가 발견되었는데, 이는 돌이나 점토로 만들어졌고 중앙의 못으로 땅에 고정되어 회전에 상당한 노력이 필요했다. 기원전 4200~4000년 메소포타미아(이라크)에서는 자유롭게 회전하며 바퀴와 축 구조를 갖춘 진정한 도자기 바퀴가 개발되었다.^[2] 우르(현재 이라크)에서 발견된 현존하는 가장 오래된 도자기 바퀴는 기원전 약 3100년으로 거슬러 올라간다.^[3]

2. 2. 바퀴 달린 차량의 등장

기원전 4천년기 후반, 메소포타미아 수메르 문명의 우루크 유적에서 바퀴 달린 마차를 묘사한 점토판 상형 문자가 발견되었으며, 이는 기원전 3700~3500년으로 추정된다.^[4] 거의 같은 시기에 북 코카서스(마이콥 문화)와 동유럽(쿠쿠테니-트리필리아 문화)에서도 바퀴 달린 차량의 증거가 나타났다. 폴란드 남부 깔때기잔 문화 유적지에서 발견된 브로노치스 항아리에는 바퀴 달린 차량이 묘사되어 있으며, 기원전 3500~3350년으로 추정된다.^[5]

슬로베니아 류블랴나 근처 스타레 흐마이네에서 발견된 류블랴나 습지 목제 바퀴는 바퀴-축 조합으로, 기원전 3340~3030년으로 추정된다.^[7] 초기 신석기 유럽의 바퀴와 축은 알프스 주변 유형(바퀴와 축이 함께 회전)과 바덴 문화 유형(축은 회전하지 않음)으로 나뉘며, 둘 다 기원전 약 3200~3000년으로 추정된다.^[8] 역사학자들은 기원전 4천년기 중반경에 근동에서 유럽으로 바퀴 달린 차량이 확산되었다고 추정한다.^[9]

2. 3. 중국과 기타 지역

중국에서는 기원전 2000년에서 1500년 사이 칭하이의 유적지에서 발견된 두 개의 바퀴살 바퀴 허브가 바퀴살 바퀴의 초기 증거를 보여준다.^[11] 로마 이집트에서 알렉산드리아의 헤론은 바퀴와 축을 무게를 들어 올리는 데 사용되는 단순 기계 중 하나로 언급했다.^[12] 헤론이 언급한 바퀴와 축은 밧줄을 감아 우물에서 양동이와 같은 짐을 들어 올리는 기계적 이점을 제공하는 원통형 통에 연결된 크랭크 또는 도르래로 구성된 윈들러스 형태였을 것으로 추정된다.^[13]

3. 기계적 이점

바퀴와 축은 같은 축을 중심으로 함께 회전하는 두 개의 원판 또는 원통이 결합된 형태의 간단한 기계이다. 가는 막대를 축이라고 하고, 축에 고정되어 힘을 가하는 더 넓은 물체를 바퀴라고 한다. 큰 원판의 가장자리에 접선 방향으로 힘을 가하면 축에 연결된 하중에 더 큰 힘이 작용하여 기계적 이점을 얻을 수 있다.

바퀴와 축의 반지름을 다르게 조절하면 원하는 만큼의 기계적 이점을 얻을 수 있다.^[18] 다만, 바퀴의 크기가 지나치게 커질 수 있으므로, 실제로는 바퀴 시스템 또는 조합(종종 기어)이 사용된다. 바퀴와 축은 일종의 지렛대와 같으며, 바퀴와 축 시스템은 복합 지렛대와 유사하다.^[19]

바퀴 달린 차량의 경우, 변속기는 바퀴보다 반지름이 작은 축에 힘을 가하기 때문에 기계적 이점은 1보다 훨씬 작다. 따라서 자동차의 바퀴와 축은 힘을 증가시키는 간단한 기계로 보기 어렵다. 그러나 바퀴와 도로 사이의 마찰이 매우 낮기 때문에 축에 가해지는 작은 힘으로도 충분하며, 변속기를 통해 축의 회전 속도를 높여 실제 이점을 얻는다.

3. 1. 이상적 기계 이점 (IMA)

바퀴와 축이 에너지를 소산하거나 저장하지 않는다고 가정하면, 즉 마찰이나 탄성이 없다면, 바퀴에 가해지는 힘에 의해 입력되는 동력은 축에서 출력되는 동력과 같아야 한다. 바퀴와 축 시스템이 베어링 주위를 회전할 때, 바퀴의 원주 또는 가장자리의 점은 축의 원주 또는 가장자리의 점보다 더 빠르게 움직인다. 따라서 동력은 힘과 속도의 곱이므로, 바퀴의 가장자리에 가해지는 힘은 축의 가장자리에 가해지는 힘보다 작아야 한다.^[17]

베어링 중심에서 바퀴 A와 축 B의 가장자리까지의 거리를 각각 ''a''와 ''b''라고 하자. 입력력 ''F_A''가 바퀴 A의 가장자리에 가해지고 축 B의 가장자리에 가해지는 힘 ''F_B''가 출력이라면, 점 A와 B의 속도 비는 ''a/b''로 주어지며, 출력력과 입력력의 비 또는 기계적 이점은 다음과 같다.

:

MA = \frac{F_B}{F_A} = \frac{a}{b}.

바퀴와 축과 같은 간단한 기계의 기계적 이점은 저항과 노력의 비율로 계산된다. 비율이 클수록 생성되는 힘(토크)의 배율 또는 달성되는 거리가 커진다.^[18]

마찰이 없는 바퀴와 축의 기계적 이점을 이상적 기계 이점(IMA)이라고 한다. 다음 공식으로 계산한다.

:

\mathrm{IMA} = {F_\text{out} \over F_\text{in}} = { \mathrm{Radius}_\text{wheel} \over \mathrm{Radius}_\text{axle}}

3. 2. 실제 기계 이점 (AMA)

실제 모든 바퀴에는 마찰이 존재하며, 이는 일부 동력을 열로 소산시킨다. 실제 기계적 이점(AMA)은 다음 공식으로 계산된다.

:

\mbox{AMA} = \frac{F_\text{out}}{F_\text{in}} = \eta \cdot \frac{\mbox{Radius}_\text{wheel}}{\mbox{Radius}_\text{axle}}

여기서

:

\eta = \frac{P_\text{out}}{P_\text{in}}

는 바퀴의 효율, 즉 입력 동력에 대한 출력 동력의 비율이다.

참조

_[1] 서적 New Light on the Most Ancient East https://archive.org/[...]
_[2] 서적 A Companion to the Archaeology of the Ancient Near East
_[3] 서적 Ancient Mesopotamian Materials and Industries: The Archaeological Evidence https://books.google[...] Eisenbrauns 1999
_[4] 학술지 Bronocice, Flintbek, Uruk, JEbel Aruda and Arslantepe: The Earliest Evidence Of Wheeled Vehicles In Europe And The Near East https://books.google[...] University of Groningen 2006-12
_[5] 서적 The horse, the wheel, and language: how Bronze Age riders from the Eurasian steppes shaped the modern world https://archive.org/[...] Princeton University Press
_[6] 웹사이트 35. Olszanica Longhouse 6: Why has it got wide doors? http://structuralarc[...] 2018-10-26
_[7] 서적 Koliščarska naselbina Stare gmajne in njen as. Ljubljansko barje v 2. polovici 4. tisočletja pr. Kr. Ljubljana
_[8] 서적 The Oxford Handbook of Neolithic Europe https://books.google[...] OUP Oxford
_[9] 학술지 Bronocice, Flintbek, Uruk, JEbel Aruda and Arslantepe: The Earliest Evidence Of Wheeled Vehicles In Europe And The Near East https://books.google[...] University of Groningen 2006-12
_[10] 웹사이트 World's Oldest Wheel Found in Slovenia http://www.ukom.gov.[...] Government Communication Office of the Republic of Slovenia 2010-08-19
_[11] 웹사이트 Chinese Bronze Age Wheeled Vehicles http://www.sino-plat[...] 2022-01-28
_[12] 서적 A History of Mechanical Inventions https://books.google[...] Courier Dover Publications
_[13] 서적 Elementary Physics https://archive.org/[...] Sheldon & Company
_[14] 백과사전 Wheel and Axle World Book Inc.
_[15] 간행물 Basic Machines http://www.construct[...] Naval Education and Training Professional Development and Technology Center
_[16] 간행물 Basic Machines and How They Work http://www.webpal.or[...] Dover Publications
_[17] 서적 Theory of Machines and Mechanisms Oxford University Press
_[18] 서적 An elementary treatise on analytic mechanics: with numerous examples https://books.google[...] D. Van Nostrand Company
_[19] 서적 The Principles and Practice of Statics and Dynamics https://archive.org/[...] John Weale
_[20] 웹사이트 滑車 http://www.ncsm.city[...] 名古屋市科学館 2015-11-12

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