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1. 개요
龍鬚鐵 / spring소재의 탄성력과 복원력을 이용하여 완충 작용과 역학적 에너지 축적 등을 하는 구조체. '용의 수염처럼 생긴 철'이라는 의미의 용수철이라고도 한다. 두께와 강도도 다양하며 얇고 강도가 낮은 스프링은 손으로만 잡아당겨도 쉽게 늘어가고 변형되나 두껍고 강도가 높은 스프링은 아무리 구부려도 변형이 잘 안되고 상당한 물리적 힘이 가해져야 변형된다.
2. 원리
기계요소 중에서는 기본적이지만 매우 유용한 구조로, 일정 한계 이하의 힘을 가하면 이를 흡수하고 있다가 힘이 사라지면 원래 모습으로 돌아간다. 다만, 너무 큰 충격, 즉 탄성의 한계를 뛰어넘는 힘을 받으면 탄성을 잃어버리고 망가지기도 한다. 쇼파나 침대 등은 다수의 스프링을 사용해 푹신함을 만들어내는데, 아이들이 위에서 방방 뛰면서 놀다가 스프링이 망가져서 특정 부위만 움푹 꺼지는 사태가 벌어지기도 한다. 또한, 너무 장시간 구부러진 상태를 유지하고 있어도 본래의 탄성을 잃어버린다. 또한 스프링은 힘을 탄성으로 받아낼 수 있는 방향이 정해져있는데[1] 이외의 방향으로 힘을 받아도 쉽게 망가진다. 옆구리 같은 곳이 눌리거나 하면 금방 휘어져버린다는 것.3. 특징
스프링의 가장 큰 물리적 특성은 바로 변위에 비례하는 힘을 변위의 반대 방향으로 가해준다는 점이다. 이러한 특징을 이용해서 힘을 측정하는 가장 기초적인 기구인 용수철 저울계를 만들기도 하고, mass-damper-spring 모델의 한 구성요소를 담당하기도 한다.이런 특징을 식으로 나타내면 [math({\bf F} = -k{\bf x})][2]이고 중학교 때부터 과학 수업에서 접할 수 있는 매우 간단한 일차식이다. 이 식은 스프링과 탄성체에 대해 탐구한 과학자 로버트 훅의 이름을 따서 후크 법칙(Hooke’s law)이라고 불리며, 탄성의 한계 범위 내에서 물체의 탄성력은 늘어나거나 줄어든(변한) 길이에 정비례하는 것을 의미한다. [math(k)]는 용수철 상수로, [math(k)]가 커질수록 가해지는 힘이 동일할때 탄성체가 잘 안늘어나게 된다.
그러나 사실 이 식은 고등학교 수준의 미적분을 다 떼도 [math(\bf x)]의 일반해를 구할 수 없는 2계 선형 미분방정식[3]의 대표적인 형태이다.[4] 그래서 보통 고등학교 과정까지는 구체적인 상황을 설정하고 힘의 크기와 방향을 이용하여 운동 방정식을 푸는 선에서 멈춘다.
또한 위에서 '에너지를 흡수할 수 있다'는 언급에서 알 수 있듯이, 중력과 함께 보존력(conservative energy)을 만들어내는 대표적인 장치중 하나이다.
4. 용도
원형을 유지하려고 하는 스프링의 특성을 이용하여 볼펜이나 문 등의 기계적인 잠금 장치에 사용하며, 급격한 충격을 받는 곳에 사용하면 충격을 완화하기 때문에 자동차나 자전거의 쇼크 업소버(shock absorber, 서스펜션과 같은 뜻으로 자주 쓰임), 충격방지 보관함 등에 사용한다. 에너지를 저장하므로 기계식 시계에도 사용되는 등 주변에서 매우 많이 사용된다. 중고급형 키보드에도 쓰이는데 기계식과 버클링 스프링 방식, 정전용량 무접점 방식이 있다. 장난감의 경우는 두말하면 입 아플 정도로 많이 쓰인다.[5] 대표적으로 상자를 열면 스프링에 달린 인형이 튀어나오는 상자 장난감 Jack in the Box, 플라스틱으로 만든 알록달록한 용수철 장난감인 슬링키 등이 있다. 최강 중 태엽은 말할 것도 없고 일반 스프링이라도 특유의 탄성으로 인해 변신, 합체 기믹이나 미사일 발사 기믹 등에 많이 사용한다. 아니면 경쾌하게 흔들리는 놀이공원 머리띠, 보블헤드, 떨잠 등의 장식품으로 쓰이는 경우도 있다.스프링은 현대의 자동/반자동 총기 발전에 있어서 절대적인 역할을 했다. 오늘날 대부분의 자동/반자동 총기들은 판스프링의 힘으로 탄창에서 탄약을 밀어 올리며, 화약이 연소하면서 생긴 가스의 힘으로 노리쇠를 후퇴시킨 다음 코일스프링의 힘으로 이를 다시 전진시키면서 탄약을 약실에 장전한다. 군에서 기본 개인화기인 K2 소총 등을 분해해본 사람이라면 노리쇠 뭉치와 가스활대, 그리고 기다란 스프링이 딸려 나오는 것을 기억할 것이다.K2 소총 분해 사진[6] 그 외에도 총기를 분해해보면 곳곳에 생각보다 많은 스프링이 들어가 있는 것을 보게 된다.
에어소프트건과 전동건의 주 동력원으로도 쓰인다. 피스톤에서 나오는 공기압을 이용해 BB탄을 발사하는데, 피스톤을 밀어내는 동력은 당연히 스프링이다. 전동건은 펌프질을 모터가 하는것 뿐이고 결국은 에어소프트건과 똑같다. 단, GBB는 압축 가스를 이용해 발사하므로 스프링이 동력원이 아니다. 애들 에어소프트건이라고 해도 개조해서 강력한 스프링으로 바꾸면 어지간한 깡통도 뚫을 정도의 위력을 발휘한다.[7] 물론 이런 짓을 하면 피스톤까지 강철로 바꾸지 않는 이상 파손이 되기 쉽고, 장전 한번 당기는데 엄청난 힘을 써야 한다.(...) 에어소프트건 오래 쓰고싶은 생각이 있으면 스프링쪽은 가급적 개조하지 않는 것이 낫다.
5. 종류
소재로는 일반적으로는 탄소 함량 0.5~0.6%의 중탄소강에 필요에 따라 크롬, 바나듐 등이 미량 첨가된 합금강이 많이 쓰인다. 5160, 6150 등이 대표적인 스프링강이다.[8]의외지만 목재로도 스프링을 만들 수 있다. #[9]
5.1. 금속 스프링
이하의 내용은 금속 스프링 중에 모양에 따른 종류로 구분한다.5.1.1. 코일 스프링
5.1.2. 토션바
토션 스프링의 일종이다. 일직선의 봉 형태로 된 스프링으로 봉 자체가 비틀리면서 탄성을 발휘한다. 자동차나 전차에 사용되는 토션바 서스펜션에 들어간다.
5.1.3. 판 스프링
판형의 소재를 곡선의 형태로 여러 겹으로 쌓아 복원력을 이용한 스프링이다. 자동차의 프레임 같은 충격 흡수재나 라이너 잠금 방식의 폴딩 나이프에 사용된다.
다른 방식으로는 두 철판을 교차하도록 포개고 일정한 공간에 끼워지도록 만든, 압력을 받으면 서로가 밀어내지만 지렛대의 원리로 작용-반작용의 법칙이 작용하여 압력이 풀리면 그 힘만큼 다시 되돌아오는 성질을 이용한다. 딱밤 때릴 때 손가락 튕기는 걸 생각하면 쉽다. 일반적인 코일 스프링과는 달리 순간적으로 일정 수준 이상의 중량을 받거나 다시 반발하지 못하도록 너무 오랫동안 압력을 받으면 아예 휘어버리는 철판으로 만들기 때문에 통상적으로 완충 장치로는 적합하지 못하다. 단순한 왕복운동 작용과 공간의 제약이 있는 경우 사용되는데 일상적으로 가장 흔하게 볼 수 있는 것은 랩탑 PC 따위에 주로 쓰이는 펜터그래프 방식의 키보드이다. 대중적으로 쓰이는 멤브레인 키보드는 보통 '러버돔'이라는 것이 들어가는데 이러면 버튼의 높이가 높아져서[10] 현실적인 비용으로 최대한 얇게 만들 수 있는 방식이 이렇게 판형 스프링을 넣는 펜터그래프이기 때문이다. 물론 랩탑에 딸린 게 아닌 키보드 자체로도 만들어지기도 한다.
이 스프링을 사용하는 서스펜션이 바로 리프 스프링 서스펜션이다.
5.1.4. 링 스프링
흔히 태엽이라 부르는 것. 해당 문서 참조.5.1.5. 벌류트 스프링
5.2. 복합재 스프링
형태는 상기와 같으나 재질이 금속이 아니라 FRP같은 복합 재료 등으로 만들어진 스프링이다.5.3. 에어 스프링
벨로우즈(Bellows)라고도 부르며, 고압을 견딜 수 있도록 섬유로 보강된 고무 주머니 안에 공기압이 들어있고 이 공기압과 고무의 탄성에 의해 작동하는 스프링이다. 공기압이 손실될 경우 보충을 하기 위해 에어 컴프레서와 고압공기라인이 필요하며, 여러개의 에어스프링을 사용할때는 밸브블록을 통해 각각의 공기압을 제어한다.고하중을 견뎌야 하는 기계의 진동절연이나 충격흡수에 주로 사용된다. 가령 대형기계의 하중 지지부나 화물차, 철도 등의 고중량 차량의 서스펜션(에어 서스펜션)에 주로 쓰인다. 충격 흡수 능력이 매우 뛰어나서 승차감을 중시하는 고급 승용차에도 사용된다.
실린더 모양 기준으로 탄성 계수는 에어 챔버의 밑넓이와 연관된다.
6. 위험성
강한 힘을 응축시키려면 탄성 한도를 더 늘려야하는데, 탄성 한도는 스프링의 크기와 굵기에 영향을 받으므로 사용하려는 힘이 크면 클수록 큰 스프링을 사용해야 한다. 시계에 들어가는 머리카락 굵기 정도의 몇 mm도 안되는 작은 크기의 스프링부터 거대 기계장치에 들어가는 일반인은 들지도 못할 정도로 거대하고 굵은 스프링도 있다.
거대한 스프링을 다룰 때는 주의해야하는데 이 스프링이 얼마만큼의 힘을 응축하고 있는지 눈으로 척 알아보기가 어렵기 때문이다. 거대한 산업용 스프링은 막고있는 힘이 제거되면 거의 폭발하듯이 늘어나기 때문에 잘못 다루다가 응력이 한 번에 방출되면 크게 다칠 수도 있다.
7. 매체에서
화려하고 복잡한 기계장치가 등장하는 밀리터리나 스팀펑크 장르가 아닌 이상 판스프링이나 태엽 스프링은 잘 등장하지 않고 줄곧 코일 스프링만 그려진다. 기계가 망가진 묘사를 할 때 그냥 스프링만 튀어나오거나[11] 머리, 눈, 팔 등의 기타 부속이 끄트머리에 달려 대롱거리는 형태로 그려지며, 신발 등이나 발판에 달면 왠지 점프력이 올라간다던가 로켓 펀치를 싸구려스럽게 묘사할 때 권투 글러브랑 같이 튀어나와 대롱거린다던가 하는 반발력 특성에 주로 초점을 맞춘 묘사가 주를 잇는다.상자를 열면 스프링에 달린 인형이 튀어나오는 깜짝 상자 장난감은 고전적으로 많이 쓰이는 클리셰 중 하나이다. 위에서 이야기한 일련의 묘사들도 이에 기인한 것들이다. 이 장난감을 영어로 Jack-in-the-box라고 한다.
디트로이트 메탈 시티의 사신G는 크라우저 2세와의 겁탈 빨리 말하기 대결에서 입에 스프링을 박아서 겁탈을 12번 말하는 반칙을 시전하였다.
7.1. 스프링 능력자
- 근육맨 - 스프링맨
- 꾸러기 로보컴 - 스프링거
- 록맨 7 - 스프링맨
- 슈퍼 마리오 갤럭시 - 스프링마리오(버섯을 먹어 파워업했을 때에만)
- 원피스 - 베라미
- 토이 스토리 시리즈 - 슬링키
[1] 물론 전방향으로 힘을 받을 수 있도록 설계된 스프링도 있지만 특별한 경우다.[2] [math((-))] 부호는 힘의 방향이 변위의 방향과 반대임을 나타낸다.[3] 이걸 풀려면 오일러 공식을 알아야하고, 그러려면 테일러 급수는 이미 알고 있다는 전제가 되는데 이 단계에서부터 고등학교 과정을 한참 벗어났다.[4] 후크 법칙 식을 뉴턴의 운동법칙 중 제2법칙([math({\bf F}=m{\bf a})])과 연결하여 미분방정식을 푸는 과정은 조화 진동자 문서 참고.[5] 바쿠간, 터닝메카드도 스프링이 굉장히 많이 쓰인 장난감이다.[6] 사진은 K2 소총의 수출형인 DR200이다.[7] 유리창을 깨는 건 사실상 불가능한데, 얇은 유리판은 몰라도 제대로 된 이중창은 엄청난 경도를 자랑하기 때문에 비비탄을 쏘면 비비탄이 깨져버리지 유리가 깨지진 않는다. 과거 비비탄총이 한창 박해받던 시절, 위기탈출 넘버원 등에서 보여준 유리잔이나 유리창을 깨부수는 퍼포먼스는 과잉개조 후 6mm 베어링을 쐈던 것으로 판명났다.[8] 이들 강재는 높은 탄성과 인성으로 현대적인 도검에도 많이 쓰인다. 알비온 소드, 암즈&아머 등 대부분의 도검사들이 5160 아니면 6150 일색이다.[9] '휘지 않고 부러질텐데?'라고 생각하기 전에, 잘 생각해보자. '탄력을 이용한 최초의 도구'는 '탄력있는 나무로 만든 막대기에 실을 걸어 당기는 구조'였다.[10] 물론 아주 비싼 물건은 펜터그래프 만큼 얇게 만들기도 하나 이런 걸 노트북에 넣으려고 만들 이유가 없다.[11] 이 경우에 끝부분만 말려있는 길쭉한 철판의 형태로 태엽 스프링이 가끔씩 나오기도 한다.