나사 (도구)

나사(Screw)

나사(screw)는 기둥 주위로 나선이 파여 있어서 물건을 고정하는 데 쓰이는 물건이다. 영어로 스크류(screw)라고 한다.

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개요

나사는 직각 삼각형 형태의 종이를 원통에 감았을 때 그 빗변이 원통을 따라 만드는 선, 즉 나사선을 따라 홈을 판 것이다. 결합용 기계요소로서 두 개 이상의 부품을 결합할 때 사용한다. 나사의 위치에 따라 구분할 때, 원통의 바깥 표면에 나사산과 골을 판 것을 수나사, 안쪽 면을 나사산과 골을 판 것을 암나사라고 한다. 원뿔의 표면에 나사산과 골을 판 것을 테이퍼 나사라고 한다. 나사는 또 나사선이 감기는 방향에 따라 구분하기도 한다. 오른쪽으로 돌렸을 때 전진하는 것을 오른나사, 왼쪽으로 돌렸을 때 전진하는 것을 왼나사라 한다. 일반적으로 사용하는 나사는 대부분 오른나사이다. 왼나사는 자전거의 왼쪽 페달이나 선풍기 날개의 고정 나사, 수정펜 등과 같이 특별한 경우 외에는 사용하지 않는다. 한 개의 나사에 홈을 한 줄만 판 것을 한줄나사, 두 줄 판 것은 두줄나사, 세 줄 이상 판 것은 여러줄나사라고 한다. 나사는 기계의 부품을 비롯하여 많은 곳에 사용되므로, 그 치수와 모양 등이 규격화되어 있다. 나사의 크기는 수나사의 바깥지름인 호칭 치수로 나타낸다.

역사

나사는 15세기 중세 무렵 기사들의 전투를 위한 갑옷이나 다양한 부품들로 이루어진 신식 무기의 조립 및 제작에 사용되며 개선됐다. 특히 화승총 제작에 나사는 없어서는 안 되는 부품이었다. 화승총은 황철광 조각을 이용해 점화했는데 이 과정에서 나사의 조임과 풂이 여러 차례 필요했다. 이때 화승총을 처음 접한 다네가시마의 영주가 제작의 핵심 기술인 나사 기술을 얻기 위해 딸을 포르투갈인에게 주었다는 이야기가 전해진다. 그 뒤 임진왜란을 거치며 조선에 화승총과 함께 나사 기술이 전해졌다. 하지만 동양에서는 19세기 근대화 시기까지 나사는 총 외에 거의 사용되지 않았다. 나사를 처음으로 이용한 화승총이 청나라와 일본의 에도 막부에서 억압받고 천시되었으며 나사를 만드는데 너무 많은 노동력이 소모되었기 때문이라는 이야기가 있다. 나사의 발명자에 대해서도 정확한 기록은 남아 있지 않다. 다만 관련된 역사적 기록이 남아있어 추측할 뿐이다. 그 중에서도 고대 그리스 시대의 저명한 수학자 아르키메데스라는 설이 가장 유력하다. 아르키메데스라고 하면 돈과 은의 비중차를 이용하여 왕관이 순금이 아닌 것을 증명했다. 아르키메데스가 나사의 첫 발명자라는 추측은 기원전 3세기의 한 문헌에서 비롯된다. 해당 문헌에 양수용 물나사가 등장하는데, 청년이었던 아르키메데스에 의한 발명품이라고 나온다. 당시 아르키메데스는 모든 무게를 움직이는 것이 가능하다고 주장했다. 그리고 왕관의 주인인 왕에게 이를 증명하겠다며 75t의 배를 움직여 보였다. 이때 배를 움직이기 위하여 아르키메데스가 웜나사를 사용했다고 전해진다.

구조

나사란 원통 모양에 한쪽으로 계속 회전하는 홈을 파 놓은 것이다. 원통에 홈을 팔 때 원통 바깥쪽으로 홈을 판 것은 수나사, 원통의 안쪽으로 홈을 판 것을 암나사라고 한다. 가장 흔하게 볼 수 있는 수나사와 암나사의 모양은 페트병 뚜껑에서 볼 수 있다. 나사는 매끈한 못과는 달리 바깥으로 나오고 안으로 들어간 부분이 있다. 즉, 요철을 지니고 있다. 나사선을 따라 홈을 파낼 때 생기는 산 모양의 돌기를 나사산이라고 하며, 나사선을 따라 홈을 파낼 때 생기는 홈의 바닥을 나사골이라고 한다. 한 나사산에서 그다음 나사산까지의 거리 혹은 한 골에서 다음 골까지의 거리를 피치(Pitch)라고 하며 피치가 작을수록 나사선 간격은 촘촘하고 결합력이 강해진다. 나사를 한 바퀴 회전시켰을 때 나사가 축 방향으로 이동한 거리를 리드라고 한다. 일반적으로 나사를 한 바퀴 회전시켰을 때 이동하는 리드는 피치와 같다.

원리

직각 삼각형을 양초, 연필과 같은 원기둥에 감아보면 삼각형의 빗면이 나선을 그리는 것을 볼 수 있다. 빗면을 사용하면 작은 힘으로도 일을 할 수 있는데 높은 산에 올라갈 때 완만한 경사를 따라 걸어가는 것이 가파른 길을 걸어갈 때보다 훨씬 힘이 적게 드는 원리와 같다. 만약, 무게 W인 물체를 직접 위로 들어 올린다면 중력을 이겨내야 하므로 최소한 무게와 같은 힘 W가 필요하다. 하지만 빗면의 원리를 이용하면 원하는 높이까지 끌어올리는 힘(F)=Wsinθ이므로 무게보다 작아지게 된다. 이처럼 빗면을 이용하면 빗면 방향으로 끌어당기는 힘은 줄일 수 있지만 직접 위로 들어 올릴 때보다 실제 움직이는 거리가 길어진다. 그래서 나사를 이용하면 나사선을 따라 길게 움직여야 하지만 작은 힘으로 물체를 결합할 수 있게 되는 것이다. 만약 빗면의 경사각이 더 작아지면 기준 높이에 대한 빗면의 길이가 길어지기 때문에 나사의 피치 수는 더 많아지고, sin θ의 값은 감소하므로 나사를 사용하는 데 드는 힘은 더 줄어들게 된다. 나사는 산과 골의 모양에 따라 역할이 다르다. 나사산과 골의 모양은 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 둥근 모양 등으로 다양한데, 삼각형 모양은 주로 물체를 결합하는 데 사용하고, 사각형이나 사다리꼴은 큰 힘을 전달하는 프레스(Press), 잭(Jack), 바이스(Vise) 등과 같은 기계에 사용한다. 전구와 소켓을 연결하는 나사산은 보통 둥근 모양이다. 먼지나 모래가 들어가기 쉬운 곳은 둥근 모양의 나사산을 사용한다. 또한, 나사는 들어가는 회전 방향에 따라 오른나사와 왼나사로 분류되기도 한다.

규격

나사의 규격은 KS 규격으로 통일되어 있으며, 전 세계적으로 미터법 단위를 쓰는 규격은 나사의 규격이 완벽히 동일하다. 이 규격 통일은 매우 중요한데, 어느 회사에서 만든 나사건 규격만 맞는다면 내 제품에 그대로 쓸 수 있기 때문이다. 보통 고도의 정밀기계 제품을 만드는 회사는 일일이 나사를 직접 깎지 않고 전문 나사 제작 업체에서 나사들을 사온다. 20세기 초반만 해도 세계 각국의 회사는 각자 다른 규격의 나사를 썼기 때문에 서로 나사가 호환이 안 되어서 제품의 대량생산 등에 매우 비효율적이었으나, 미국이 20세기 초반에 처음으로 나사를 규격화하여 대량생산 효율을 매우 높였다. 그런데 미국은 미터법을 안 쓰고 인치 규격으로 나사를 만들기 때문에 미국이나 영국 등에서 수입한 물건은 인치규격 나사를 쓴다. 우리나라는 대부분 미터 규격 나사를 쓰기 때문에 비싼 돈을 주고 미국으로부터 인치 규격 나사를 비싸게 사와야 하는 상황이 발생한다. KS 규격에서는 이러한 경우를 대비해서 인치나사 규격도 규정해 놓긴 했지만 정작 대한민국에서 인치나사 수요가 거의 없으므로 국내에서 생산하는 경우는 군납 업체 외에는 별로 없다. 군대 역시 장비의 국산화가 많이 진행된 육군이나 해군은 미터법 나사를 주로 쓰지만 아직 해외 도입 비율이 높은 공군이나 해군의 유도탄은 인치규격 나사를 쓰기도 한다.

뷴류

용도에 따른 분류

운동나사

운동나사는 나사를 회전시켜 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸는 용도로 사용되는 나사이다. 1회전당 1피치만큼 직선운동을 하므로 톱니바퀴보다 매우 정밀하며 큰 힘을 받을 수 있다. 다만 정밀한 만큼 래크 같은 다른 운동 장치보다 속도 변환이 느리다는 단점도 있다. 큰 힘을 받기 위해 나사산이 다른 나사보다 매우 두껍게 설계되어 있다. 다른 나사들보다 강도가 높고 변형이 적은 소재로 만들어진다. 상당수의 정밀 기계 장치는 이 운동용 나사를 주축으로 사용하고 있다. 매체에서 핸들을 열심히 돌리는데 무언가 긴 것이 미미하게 움직인다면 운동나사가 심어져 있는 것이다. 주로 사다리꼴 나사와 사각 나사가 쓰이며 이 둘의 차이는 사다리꼴 나사는 이송용으로 많이 쓰이고 사각 나사는 힘을 전달할 때 많이 쓰인다. 운동나사의 극단은 너트에 쇠 구슬을 이용한 볼나사이다. 이쪽은 정밀기계, 공작기계에 사용된다.

결합나사

결합나사는 둘 이상의 물체를 결합할 때 사용하는 나사이다. 많이 보는 볼트의 용도가 이것이다. 나사산의 마찰력으로 물체의 결합을 지지하므로 운동 나사보다는 나사산이 많아야 한다. 그러므로 필연적으로 나사는 삼각형의 형태를 띠게 되어 대부분의 결합 나사는 삼각형이다. 따라서 볼트의 나사산도 삼각형이다. 그러나 필요에 의해 나사를 자주 풀어야 하고 나사에 이물질이 많이 들어가게 되며 결합에 큰 힘을 받을 필요가 없을 때는 둥근 나사를 쓴다.

관용나사

관용나사는 관, 관용부품, 유체기계 등의 이음을 위하여 사용하는 나사를 가리킨다. 보통 나사보다 나사산이 낮고, 피치가 짧다. 관용평행나사와 관용테이퍼나사의 두 종류가 있다. 관용평행나사는 기계적 결합을 주목적으로 하는 경우에 사용한다. 종류는 관용평행수나사, 관용평행암나사가 있다. 관용평행수나사의 등급은 유효 지름의 치수 허용차에 따라 A급과 B급으로 구분하는데, 관용평행수나사의 경우 나사의 호칭 뒤에 등급을 표시하는 기호를 붙인다. 관용테이퍼나사는 나사 연결부의 밀폐성을 높여 기밀을 철저히 유지하는 것을 주목적으로 하는 경우에 사용한다. 종류는 관용테이퍼수나사, 관용테이퍼암나사 및 관용평행암나사가 있다. 이 중 관용평행암나사는 관용테이퍼수나사에 사용하는 것으로 관용평행나사의 암나사와는 치수 허용치가 다르다. 관용테이퍼수나사는 관용테이퍼암나사 또는 관용평행암나사에 끼워 맞춘다. 두 나사의 차이점은 기울기이다. 관용평행나사는 나사 원통의 앞과 뒤가 평행을 이루지만, 관용테이퍼나사는 뒤로 갈수록 경사지며 외경이 줄어드는 형태이다.

모양에 따른 분류

• 둥근나사: 나사산의 모양이 둥글게 생긴 나사로 접기 접속 기구나 먼지, 이물질이 들어가기 쉬운 곳에 쓰인다.
• 삼각나사: 나사산의 모양이 삼각형인 나사로 주로 결합용으로 사용된다. 대부분이 한줄나사이다.
• 사각나사: 나사산의 모양이 직사각형인 나사이다. 마찰이 적고 미끄럼이 없기 때문에 바이스, 잭, 프레스 등과 같은 힘을 전달하는 기계의 부분품으로 사용한다.
• 사다리꼴나사: 나사산의 모양이 사다리꼴인 나사이다. 사각나사는 가공하여 만들기가 어렵기 때문에 실제로 사다리꼴나사가 많이 쓰인다. 힘을 전달하는 사각나사에 비해 선반의 리드나사처럼 운동을 전달하는 용도로 주로 사용된다.
• 톱니나사: 나사산의 모양이 톱니처럼 한쪽은 직각, 한쪽은 사다리꼴로 생긴 나사이다. 한쪽으로만 힘을 전달하는 데에 사용된다.

참고자료

• 〈나사〉, 《나무위키》
• 〈나사〉, 《네이버 지식백과》
• 〈나사의 원리〉, 《네이버 지식백과》
• 〈관용나사〉, 《네이버 지식백과》
• 월간 툴, 〈( 공구의 역사 ) 드라이버와 나사의 역사〉, 《네이버 포스트》, 2020-02-04
• 한국미스미, 〈나사(Screw)의 역사! 최초 발명자가 아르키메데스?〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-28
• PnL INS, 〈나사의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2013-07-09

같이 보기

• 나사
• 부품
• 나사산
• 나사골
• 나선
• 볼트
• 너트
• 원통
• 기계
• 도구

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