도르래. 어디까지 알고있나요?

도르래의 원리

 

도르래

무거운 물체를 들 때 그 물체를 위로 끌어올리는 것 보다는 아래로 당기는 게 더 쉽다. 이때 바퀴와 줄 하나면 간단하게 물체의 움직이는 방향을 바꿀 수 있다. 그 생각을 실현한 것이 바로 도르래이다. 바퀴를 높은 곳에 고정하고 그 위에 줄을 걸친후 줄 끝에 물체를 연결한다. 그리고 다른 끝을 아래로 당기면 당기는 힘만큼 물체를 들어 올릴 수 있게 된다. 이때 사람의 몸무게가 당기는 힘에 더해져 더 쉽게 들 수가 있는 것이다. 이때 위에 고정된 바퀴가 도르래이고 기중기의 간단한 형태이다. 고정된 도르래는 일반적으로 운동의 방향을 바꾸는 데 쓰인다. 엘리베이터를 예로 들어보면 엘리베이터의 반대쪽에 평형추가 매달려 있어서 엘리베이터가 올라가면 평형추는 반대로 아래로 내려간다. 도르래의 밧줄을 당기는 힘은 이론상 하중의 무게와 같다. 하지만 실제에서는 작동력 뿐만 아니라 도르래가 돌 때 생기는 마찰력이 더해짐으로 하중보다 더 큰 힘이 있어야 한다. 마찰력은 모든 기계를 설계할 때 고려해야 하는 부분이다. 도르래틑 힘의 방향을 바꾸는 역할 뿐 아니라 지레처럼 힘을 크게 늘리는 데도 사용한다. 도르래와 도르래를 연결한 복합 도르래는 자기 무게의 몇배나 되는 하중도 들어 올릴수가 있다. 복합 도르래에서 하나는 하중에, 나머지 하나는 위쪽에 고정되어 있다. 밧줄은 위쪽에 먼저 걸친 후 아래로 내린다. 그리고 아래쪽 도드래를 감은 뒤 다시 밧줄을 위쪽 도르래에 걸쳐 고정한다. 이렇게 하면 아래쪽 도르래는 자유롭게 움직이며 밧줄을 당겨서 하중을 들어 올린다. 이때 도르래에 생긴 변화는 하중을 끌어당길 수 있는 거리는 절반으로 줄기만 들어 올리는 힘은 두배가 된다. 지레의 원리에서처럼 거리를 대가로 해서 힘을 얻게 되는 것이다. 복합 도르래의 힘을 더 크게 하려면 바퀴를 더 많이 연결하면 된다. 하지만 이때 추가되는 도르래의 무게를 견디는 힘과 마찰력도 고려해야 한다. 복합도르래는 도르래 여러 개를 결합한 것으로 크기가 작아도 많은 하중을 들어 올리 수 있다. 보통은 크레인의 붐 끝에 붙어있고 모터가 내는 힘을 증가시키는 역할을 한다. 이 복합 도르래는 두 벌의 도르래와 그 둘레를 감고 있는 한 개의 밧줄로 구성되어있다. 각각의 도르래들은 같은 축 위에 있고 서로 독립적으로 회전한다. 위쪽의 도르래들은 지지대에 연결되어 있지만 아래쪽 도르래들은 하중에 연결되어 있다. 밧줄을 당기면 아래쪽의 도르래들은 끌려서 올라온다. 복합 도르래가 내는 힘의 배율을 아래쪽 도르래 수와 같다. 

 

체인호이스트

3개의 도르래를 체인이 순환하며 감고 있는 것을 체인 호이스트라고 한다. 위쪽 동선상의 크기가 다른 두 도르래와 아래쪽 도르래는 체인으로 받쳐서 있는데 여기에 하중이 매달린다. 이 하중은 체인이 움직여야 이동한다. 하중을 움직이기 위해 필요한 힘은 위쪽 두 개 도르래의 지름의 차이가 결정한다. 위쪽 두개의 도르래가 시계 반대 방향으로 돌게 체인을 당기면 큰 바퀴가 작은 바퀴보다 체인을 많이 당기게 되면서 하중을 잡아당기는 힘이 세지고 지레 원리에서처럼 움직이는 거리는 짧아진다. 만약 체인을 반대로 움직인다면 하중은 아래로 내려간다. 

 

평형추 

타워크레인이나 엘리베이터 같은 기계들은 대부분 평형추를 사용한다. 평형추는 모터가 화물이나 사람의 무게와 균형을 이루는 데만 쓰이도록 한다. 또 하중을 들어 올릴 때 기계가 뒤집히는 것을 막는 역할도 한다. 지레의 원리에 따라 받침점에 멀리 있는 가벼운 평형추와 가깝게 있는 무거운 평형추는 그 효과가 같다. 트럭형 크레인의 뒷부분과 지게차의 뒷부분에 보이는 묵직한 부분이 평형추가 된다. 

 

엘리베이터와 에스컬레이터

엘리베이터와 에스컬레이터는 도르래와 평형추를 이용한 대표적인 승강장치이다. 요즘 많이 보이는 투명엘리베이터를 보면 승강기를 지탱하는 케이블과 도르래, 평형추 등을 확인할 수 있다. 엘리베이터는 고정 도르래를 이용했다. 이 승강기는 엘리베이터가 오르내리는 통로 꼭대기에 도르래기 고정되어 있고 그 도르래에 케이블이 걸쳐져 올라가거나 내려간다. 케이블의 한쪽 끝은 승강기와 탑승 무게를 지탱하는 평형추가 달려있다. 승강기와 평형추는 통로의 가이드 레일을 타고 오르내린다. 에스컬레이터는 구동 바퀴를 도는 순환 체인과 연결이 되어 있다. 구동 바퀴는 에스컬레이터의 위쪽 끝에 있는 전기모터로 움직인다. 여기서 평형추는 내려가는 계단이 올라가는 계단의 평형추가 된다. 그러므로 모터는 타고 있는 사람의 무게만 들어 올리게 된다. 에스컬레이터는 양쪽에 각각 바퀴를 가지고 있는데 이 바퀴는 계단 밑에 있는 두 개의 레일을 따라서 움직인다. 타는 곳과 내리는 곳은 안쪽 레일이 바깥쪽 레일보다 밑에 있어서 한두개의 계단이 수평이 되도록 해서 타고 내릴 때 평평한 구간이 된다.