물리학에서,
일과 힘의 개념은 우리가 이해하게끔 도와주고
우리 우주에서의 많은 것들을 설명합니다.
"일"로 시작해 봅시다.
양적 일은 우리가 시스템에 가하는 에너지이고
음적 일은 우리가 빼내는 에너지입니다.
양적 일을 은행계좌에 넣어지는 돈으로,
음적 일은 빼내지는 돈이라고 생각해 보세요.
미터법에서,
일과 에너지는 '주울'로 측정이 됩니다.
예로, 아름답고 오래된 할아버지의 시계를 생각해 봅시다.
우리는 에너지를 시계 안으로 옮깁니다.
우리가 시계를 작동시킬때
시계안에 무거운 금속 실린더를 올리기 위해서 말입니다.
우리가 그렇게 할때, 우린 양적 일을 합니다.
시계안에 에너지를 넣고,
그 에너지는 중력 위치 에너지로 축적됩니다.
우리는 우리가 한 일의 양을 곱해서 계산 할 수 있습니다.
우리가 가한 힘과 힘을 가할 때 들려진 높이를 말이죠
금속 실린더를 올리기 위해서
우린 그들의 무게와 똑같은 힘을 가해야 합니다.
그것은 실린더를
아래로 끌어내리는 중력과 같습니다.
이 실린더는 무거운 300뉴턴입니다.
아주 무거운,
조그만 아이만큼 정도 되죠.
우리가 그것을 0.5m 들었을때
우리는 300뉴턴을
0.5m 로 곱한 정도,
즉, 150 '주울'의 일을 하죠.
힘은 에너지가 옮겨진 비율입니다.
우리가 비율을 말할때,
우린 시간 단위 분(分)의
옮겨진 에너지의 양을 의미합니다.
미터법에서 힘은
초 당 '주울'이나
'와트'로 측정됩니다.
와트라는 용어는 '제임스 와트'로 돌아갑니다.
그는 힘의 양을 측정하기 위해
마력 (馬力)의 개념을 찾아낸 사람이죠.
말이 하는 일반적인 일을 통해 말이죠.
제임스 와트는 산업 증기기관의 생산자이고
그는 잠재 고객들이
그의 증기기관과 비슷한 양이
우리가 일하는 말에서 얻을 수 있는 힘의 양을
비교할 수 있기를 바랬죠.
힘의 미터법 단위인, '와트'가
제임스 와트의 이름을 따온 것은
아주 유용한 아이디어입니다.
제임스 와트의 발자취를 따라서,
할아버지의 시계를 작동시키기 위해
작용한 힘의 양을
100와트의 밝은 전구를
작동시키는데 필요한 힘과 비교해봅시다.
우리는 사람이
시계태엽을 감기 위해 가하는 힘의 양을 구할 수 있습니다.
한 일의 양을
그것을 하는 데 걸린 시간으로 나누어서 말이죠.
그것을 드는데 1분, 즉 60초가 걸렸다면
그들이 한
150주울의 일을
60초로 나누면
초당 일의 양이 2.5주울이 됩니다.
그들이 2.5와트의 에너지를
시계안으로 넣은 것 입니다.
여러분은 40배의 와트가 더 필요합니다,
100와트의 밝은 전구를 밝히려면요.
우리가 시계를 작동시키기 전에,
에너지는 실린더의
중력위치에너지로 축적됩니다.
이것은 당신이 은행계좌에
돈을 예금할 때와 같은 것 입니다.
하지만 시계가 돌아가게 할 때,
실린더는 천천히 아래로 내려갑니다.
에너지는 시계에서 빠져나옵니다.
사실, 실린더가 맨 아래로 갈때,
우리가 가한 모든 에너지는 빠져나갈 것 입니다.
그럼 시계가 사용하는 힘은 얼만큼 일까요?
즉, 초 당 얼마큼의 에너지 주울의 양이 시계를 떠날까요?
만약 실린더가 원초적 상태로 돌아오기까지 5일이 걸린다면 말이죠.
우린 알아낼수 있습니다.
왜냐하면 우리가 실린더를 들었을때
얼마나 일을 했는지 알고 있기 때문입니다:
150주울입니다.
하지만 이번에는, 1분 대신 5일이 걸렸죠.
5일은 5 곱하기 24시간,
곱하기 60,
또 60을 곱합니다.
즉 432,000초이죠.
그래서 우리가 한 일을 시간으로 나누고
우린 초당 약 0.00035주울의,
또는 약 0.35 밀리와트의 일을 했다는 답을 찾을 수 있습니다.
그것은 아주 적은 양의 힘입니다.
이 시계는 아주 적은 양의 힘을 사용합니다.
즉 여러분은 300,000개의 시계를
100와트 전구 하나를 켜기 위해 사용하는 힘의 양과 같은 양의 힘을 이용해 돌아가게 할 수 있습니다.
맞습니다, 여러분은 그 정도의 힘으로
중간 사이즈 도시의 모든 집의 시계를 돌릴 수 있습니다.
매우 놀라운 결론이죠,
그리고 그걸 알아내기 위해서
일과 힘의 지식이 쓰여졌습니다.