왜 필요한가
스프링은 힘을 받으면 모양이 바뀌었다가, 힘이 사라지면 제자리로 돌아온다. 그 힘을 저장했다가 돌려주기도 하고, 힘을 길이로 바꿔 재기도 하고, 부품을 제자리로 되돌리기도 한다.
누른 만큼 되민다
그림에서 추를 접시 위에 하나씩 올리면 접시는 안내 막대를 따라 내려가고, 스프링이 눌린다. 추 하나(0.5 kg)마다 가는 철사 스프링은 10 mm씩 줄어든다. 무게를 두 배로 하면 줄어든 길이도 두 배다. 힘은 늘어나거나 줄어든 길이에 비례한다(훅의 법칙).
같은 힘에 얼마나 줄어드는지가 스프링 상수다. 스프링 상수는 힘의 변화를 길이 변화로 나눈 값으로 N/mm로 적고, 철사 굵기나 감은 수를 바꿔 정한다. 치수선은 처음 높이(점선)에서 줄어든 만큼을 mm로 보여 준다.
굵기와 지름과 감은 수
스프링이 얼마나 단단한지는 철사 굵기, 코일 지름, 감은 수와 재료가 정한다. 단단함은 철사 굵기의 네제곱에 비례하고, 코일 지름의 세제곱과 감은 수에는 반비례한다. 재료는 가로 탄성 계수로 들어가며, 스프링강의 값은 약 79 GPa다.
그림의 두 스프링은 코일 지름과 감은 수가 같고 철사 굵기만 다르다. 굵은 철사(2.5 mm)는 가는 철사(2.0 mm)의 1.25배다. 단단함이 철사 굵기의 네제곱이므로 1.25 × 1.25 × 1.25 × 1.25 ≈ 2.4 — 굵은 철사 스프링은 2.4배 더 단단하다. 그림에서 1 kg을 올리면 가는 스프링은 20 mm, 굵은 스프링은 8.2 mm 줄어든다.
철사는 비틀린다
압축 스프링을 눌러도, 인장 스프링을 당겨도, 감긴 철사는 굽는 게 아니라 비틀린다. 인장 스프링은 두 고리를 서로 당기고, 감길 때 넣은 처음 장력이 코일을 맞붙여 둔다. 비틀림 스프링은 거꾸로다. 돌리는 힘(토크)을 내지만, 그 철사는 굽힘을 받는다.
너무 세게 누르면
재료가 견디는 한계를 넘도록 누르면 스프링은 "주저앉아"서, 짐을 빼도 처음 길이로 돌아오지 않는다. 처음 한 번 세게 누를 때 짧아지고, 그다음에는 거의 더 줄지 않는다.
출렁임
무게를 갑자기 올리면 접시는 쉬는 자리를 지나쳤다가 다시 돌아오며 출렁인다. 단단할수록 빨리, 무거울수록 느리게 출렁인다. 그림에서 추를 하나 더 올리면 두 스프링이 각자의 빠르기로 출렁인다. 단단한 굵은 철사 스프링이 더 빨리 오르내린다.
어디에 쓰나
용수철 저울은 힘을 재는 도구다. 힘으로 재기 때문에 곳의 중력이 다르면 같은 물건을 다르게 읽고, 지구 자전만으로도 적도가 극보다 약 0.35% 가볍게 읽힌다. 접시 저울(천칭)은 그렇지 않다.
커피머신 속에도 스프링이 여러 곳에 쓰인다.
- 과압 밸브는 스프링이 밸브를 눌러 압력을 막고 있다가, 물의 압력이 밸브를 미는 힘이 스프링 힘보다 커지면 연다. 넘는 물은 물탱크나 배수로 돌려보내고, 나사로 스프링을 더 눌러 두면 여는 압력이 오른다(반 바퀴에 약 0.5–1 bar).
- 진동 펌프는 코일이 피스톤(전기자)을 당기고, 스프링이 되밀어 물을 보낸다. 전원 한 주기에 한 번씩, 50 Hz에서는 1초에 50번이다.
- 솔레노이드 밸브는 추출 중에 전기가 들어와 배수구를 닫고, 전기가 끊기면 스프링이 그룹을 물받이로 열어 압력을 뺀다.
물의 압력에 대해서는 압력에서 더 본다.
이 그림에 대하여
그림의 스프링은 강철이고, 코일 지름은 30 mm, 감은 수는 12(양 끝 닫힌 코일 제외), 처음 길이는 100 mm다. 철사 2.0 mm는 1 kg에 20 mm, 2.5 mm는 8.2 mm 줄어든다. 접시와 기둥의 무게는 0으로 두었다. 출렁임이 사그라드는 빠르기는 모형값이다.
점선은 추를 다 뺀 뒤 접시가 있던 높이이고, 치수선은 그 높이에서 줄어든 만큼을 mm로 가리킨다.