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안전한 다리 구조에는 어떤 원리가 있을까?
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  • 힘의 합력

    온도나 질량 같은 물리량은 크기만 가지고 있지만 힘은 크기와 방향을 가진다. 따라서 힘은 크기와 방향을 모두 표시하여 나타낸다. 따라서 3 N의 힘과 4 N의 힘을 더할 때는 방향에 따라서 다른 값을 가질 수 있다. 이렇게 두 힘을 더하여 효과가 같은 하나의 힘으로 나타내는 것을 “힘의 합력을 구한다.”라고 한다. 힘의 합력은 평행사변형법 등을 이용해서 구할 수 있다. 이 방법으로 3 N의 힘과 4 N의 힘 합력을 구하면 두 힘이 같은 방향이면 7N, 반대방향이면 4 N의 방향으로 1 N이 되고, 두 힘이 이루는 각이 0 ~ 90° 사이의 각이면 1 N과 7 N 사이의 값이 된다.

    힘의 분해와 힘의 평형

    한 힘을 두 개 이상의 힘으로 나누는 것을 ‘힘의 분해’라고 한다. 임의의 한 힘이 주어졌을 때. 이 힘은 수평방향의 힘과 수직방향의 힘의 합력으로 표현될 수 있다. 크기가 같고 방향이 반대인 두 힘의 합력은 0이 된다. 이처럼 크기가 같고 방향이 반대인 두 힘이 한 물체에 동일한 직선 위에 작용하면 그 물체는 더 이상 움직이지 않게 된다. 이와 같은 것을 ‘힘의 평형’이라고 한다. 실에 매달려 가만히 있는 추는 아래로 중력을 받고 위로 줄의 장력을 받는다. 그러면 추에 작용하는 합력은 0이 되므로 추는 그 자리에서 가만히 정지해 있을 수 있다.

    건축물과 힘의 분해

    건축물을 설계할 때는 힘의 평형이나 힘의 분해를 고려해야 한다. 무거운 지붕을 받치는 기둥이 한 개이면 기둥은 지붕의 무게를 전부 받게 되므로 매우 두껍게 설치해야 한다. 하지만 두 개의 기둥을 수직으로 받치면 힘을 반반씩 나누어 가질 수 있다. 그러나 옆으로 미는 힘에는 쉽게 무너질 수 있다. 이 때 대각선 방향으로 기둥을 대면 단위면적당 받는 힘이 작게 분해될 뿐만 아니라 수평으로 쓰러짐을 막을 수 있게 된다. 이러한 원리를 적용한 것이 트러스구조이다. 아치교는 활 모양의 곡선을 그리는 구조물로 건물의 지붕이나 다리 등에 쓰인다. 아치교는 아래로 작용하는 힘에 대해 양끝이 움직이지 않도록 단단히 누르며, 아치를 이루는 물체 내부에는 서로 미는 힘이 작용한다. 따라서 돌이나 벽돌을 아치형으로 쌓으면 힘의 균형이 깨지지 않고 무너지지도 않게 된다.

     
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