파스칼의 원리

안녕하세요?

저는 고등학교때 선택과목으로 물리를 선택하기는 했지만, 딱히 물리를 좋아 해서가 아니라, 문제집에 나와있는 내용이 그대로 시험에 반영이 잘되는 과목이어서 그러했던 적이 있었습니다. 그런 제게 이제와서 '파스칼의 원리'는 상당히 낯설게 느껴 졌는데, 마침 Newton 2018년 5월호에 이 파스칼의 원리에 대해서 설명을 하고 있기에, 이에 대해서 포스팅을 하고자 합니다.

위 이미지의 풍선처럼, 밀폐된 기체의 압력크기는 모든점에서 같다는 것을 파스칼이 발견하였다고 합니다. 그래서 부풀어 오른 풍선을 손가락으로 살짝 누르면, 누른 곳의 압력만 올라가는 것이 아니라, 풍선 내부에 골고루 압력의 상승이 전달되어서 풍선의 모든 점에서 같은 압력이 전달이 되는데, 이를 '파스칼의 원리'라고 합니다.

위 그림의 묘사와 같이, 일ㅇ반적인 상태에서 일부를 눌렀을 때, 풍선 내부에 압력이 더 커지지만, 특정한 부분만 압력이 커지지 않고, 풍선의 전체에 걸쳐서 압력이 커지는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 이 파스칼의 원리는 이것으로 끝이냐 하면 그것도 아닌것이, 액체에도 동일하게 적용이 되어서 '유압'에 적용이 된다고 합니다.

그래서 위 그림과 같이 힘=압력X면적 이라고 해서, 기묘한 평형을 이루는데 사용이 됩니다. 먼저 같은 힘이 가해지더라도 '면적' 이 넓어지게 되면, 그 '넓어진 면적' 에 비례해서 '추의 무게'는 더 무거워져야 한다고 합니다. 즉, 화살표인압력 1개의 힘은 같으나, 면적이 더 커지면, '화살표의 갯수가 늘어난다 = 피스톤이 받는 힘의 합계는 커진다'는 것을 의미하게 됩니다.

이 파스칼의 원리가 가장 선명하게 쓰이는 곳이 바로 자동차 브레이크라고 합니다. 여기서는 작은 면적인 브레이크 페달을 밟아서, 큰 면적인 브레이크에 전달이 되도록 하는 것인데, 즉 위에서 본 그림의 묘사처럼, 밟는 것은 1kg의 힘인데, 가해지는 힘은 4kg이 되도록 하는 것입니다. 거기에 아래와 같은 작업이 하나 더 추가가 됩니다.

위 그림의 묘사에 나와있는 것처럼, 유압 브레이크를 밟으면, 큰 피스톤인 브레이트 패널이 작은 피스톤인 브레이크 페달이 차지하는 면젹의 4배에 해당하기 때문에, 이 큰 피스톤을 1이라는 거리만큼 이동 시키기 위해서는 작은 피스톤인 브레이크 페달은 4배의 거리를 움직여야 브레이크가 걸리게 되는 것입니다. 일단 물리학에서는 '힘 X 거리'를 '일'이라고 하는데, 작은 힘으로 많은 거리를 움직여서, 짧은 거리의 '큰 힘'을 내게하는 원리라고 합니다.