KISTI의 과학향기

모든 물체에는 무게가 있다. 물체의 무게는 손으로 들어보면 대략 짐작할 수 있지만, 보다 정확한 무게를 알기 위해 우리는 ‘저울’이라는 기구를 사용한다. 저울은 물체의 무게나 질량을 재는 기구로, 어떤 것을 재느냐에 따라 사용하는 저울의 종류도 달라진다.

다양한 저울 중에서 용수철을 이용해 손쉽게 만들 수 있는 ‘용수철저울’을 만들어 보고 저울의 원리에 대해 알아보자.

[교과과정]
초등 4-1 무게 재기
중 1 힘과 운동
중 3 에너지

[학습주제]
용수철로 무게 재는 방법 알아보기
무게 재는 다양한 방법 알아보기
탄성력의 특징 알아보기

<실험 방법 및 원리>



<실험동영상>



<실험 주의사항>
* 용수철에 너무 무거운 물체를 달거나 무리한 힘을 주지 마세요.
* 그릇을 단 용수철 아래 끝부분에 눈금 도면의 0점이 닿도록 붙이세요.

? 용수철로 무게 재는 원리

실험에서 만든 용수철저울은 용수철의 성질을 이용해 물체의 무게를 잰다. 용수철은 일정한 힘을 가하면 모양이 변형됐다가 그 힘을 제거하면 다시 본래의 모습으로 돌아오는 성질을 가지고 있다. 용수철을 잡아당기는 힘과 비례해 용수철의 길이가 늘어나기 때문에 그릇에 담는 무게가 무거울수록 용수철이 더 많이 늘어난다. 바로 이 성질을 이용해 무게를 잴 수 있는 것이다.

용수철과 같이 외부에서 힘을 가하면 모양이 변형됐다가 힘을 제거하면 다시 되돌아오는 성질을 ‘탄성’이라고 한다. 고무줄이 늘어났다가 줄어드는 성질도 고무의 탄성 때문이다. 탄성력은 원래 상태로 되돌아가려는 힘을 말하며 항상 작용한 힘과 반대 방향으로 작용한다.

하지만 탄성력에는 한계가 있다. 탄성을 가진 물체는 어떤 것이든 탄성을 유지할 수 있는 힘의 한계가 있는데, 이를 가리켜 ‘탄성 한계’라고 한다. 탄성 한계를 넘은 물체는 외부에서 가하는 힘을 제거해도 원래 형태로 돌아가지 못한다. 고무줄을 계속 길게 늘이면 어느 순간 끊어져 버리는 것을 생각해 보라. 이 역시도 탄성한계를 넘었기 때문이다.

용수철저울 역시 탄성 한계가 있어 너무 무거운 물체를 올리면 용수철이 늘어나 원래 모습으로 돌아가지 못한다. 이 때문에 용수철저울은 지우개나 딱풀 등 대체로 작고 가벼운 물체의 무게를 재는 데 적당하다.

참고로 용수철저울에 눈금 도면을 붙일 때는 빈 그릇을 매단 상태에서 들었을 시 용수철 가장 아래쪽 부분에 눈금의 ‘0’이 오도록 붙여야 한다. 눈금을 읽을 때는 눈의 높이를 눈금과 평행하게 맞춘 후 읽는다. 물체를 그릇에 올릴 때는 그릇이 한쪽으로 쏠리지 않도록 주의한다.

? 무게 재는 다양한 방법

물체의 무게가 천차만별이듯이, 이를 재기 위한 저울의 형태도 다양하다. 실험실에서 흔히 볼 수 있는 저울로는 용수철저울 외에도 양팔 저울, 윗접시 저울, 전자저울 등이 있다.

두 물체의 무게나 질량을 비교할 때는 양팔 저울을 이용하는 것이 편리하며 가루로 된 물질의 무게나 질량을 잴 때는 윗접시저울을 이용하는 것이 편리하다. 용수철저울로 물체의 무게를 알 수 있다면, 양팔 저울이나 윗접시저울로는 물체 고유의 질량을 잴 수 있다.

그밖에 정육점에서 고기의 무게를 재거나 귀금속의 무게를 잴 때는 좀 더 정밀한 단위를 알려주는 전자저울을 사용하며 과일이나 채소의 무게를 잴 때는 가정용 저울을 많이 사용한다.

무게의 단위도 다양하다. 정육점에서 쇠고기나 돼지고기 무게를 잴 때는 ‘근’이라는 단위를 사용한다. 고기 한 근은 600g을 말한다. 또 시장에서 감자와 같은 채소의 무게는 ‘관’이라는 단위를 사용하여 잰다. 한 관은 3750g, 즉 3.75㎏을 말한다. 금이나 은 등 금속을 재기 위해서는 ‘돈’이라는 단위를 사용하는데, 한 돈은 약 3.75g이다. 근, 관, 돈 모두 우리나라 고유의 무게 단위이다.

? 저울의 발전사

인류는 선사시대부터 저울을 사용해 왔다. 인류가 사용한 최초의 저울은 양팔 저울과 비슷한 형태로 알려져 있다. 기원전 5000~기원전 4000년경 고대 이집트의 벽화에서 오늘날 양팔 저울과 비슷한 그림이 발견됐고 기원전 3000~2000년경 메소포타미아나 인더스강 유역지방에서는 양팔 저울의 일부분이 발견되기도 했다.

용수철저울은 1770년경 영국 상거래에서 최초로 사용됐다. 물건의 무게를 손으로 가늠하는 것보다 정확하고 사용이 편리해 널리 이용돼 왔다. 이후 과학기술이 급격히 발전하면서 다양한 형태의 저울들이 많이 개발됐다. 컨베이어에서 운반되는 물체의 무게를 자동으로 계산해서 합산까지 해 주는 ‘컨베이어 스케일’을 비롯해 1분간 수백 개의 상품 무게를 선별하는 선별기, 자동으로 정량(定量)을 포장하는 자동 정량 포장기 등이 있다. 또한 무게를 1억분의 1g까지 잴 수 있는 ‘원격 조정 천칭’을 개발해 저울의 정밀도를 높였다. 이렇듯 오늘날 다양한 저울들은 각종 산업 현장의 편의성을 높이고 있다.

[다운로드: 눈금 도면]

글 : 유기현 과학칼럼니스트