축바퀴- 풍차와 풍력터빈

축바퀴

 

축바퀴

회전하는 지레

상하 운동이나 왕복 운동을 이용하는 기계도 있지만, 많은 기계가 회전 운동을 한다. 이런 기계에는 회전을 위한 바퀴가 달려 있는데 이는 길을 굴러가게 하는 바퀴 외에도 많다. 바퀴만큼이나 중요한 기계 장치로 축바퀴가 있는데 이것은 힘을 전달하는 데 쓰인다. 하나의 축에 지름이 큰 바퀴와 지름이 작은 바퀴를 고정해서 큰 바퀴를 돌리면 작은 바퀴도 함께 돌도록 만든 장치인데 지레의 원리를 응용한 것이다. 축바퀴는 힘을 크게 만드는 역할을 하는데 빗면이나 지레에서처럼 움직이는 길이가 길어지면 힘이 더 적게 든다. 축바퀴에서 축이 움직이는 거리는 바퀴보다 짧지만 힘은 더 강력하다.축바퀴의 원리가 이용되는 것들을 살펴보자. 스크류 드라이버의 손잡이는 손에 쥐기 편할뿐 아니라 그 이상의 기능을 하는데 그것이 바로 돌아가는 힘을 더 크게 해서 나사 홈에 전달하는 역할이다. 통조림 깡통 따개도 통조림에 붙어있는 금속 티를 센 힘으로 금속띠를 동그랗게 말아서 떼어낼 수 있게 한다. 자동차 핸들도 운전자가 핸들을 돌리는 힘을 증폭시켜서 축을 돌려주므로 조향 장치가 힘차게 돌 수 있게 한다. 스패너의 한쪽 끝을 돌리면 다른쪽 끝의 볼트에 센 힘이 걸려서 볼트나 너트를 조이거나 풀 수 있다. 수도꼭지의 손잡이는 손이 돌리는 힘을 증폭시켜준다. 그 증폭된 힘은 수도꼭지 안의 나사가 와셔를 세게 죄어서 물이 새는 것을 막아 잠가준다. 역사적으로 가장 오래된 물레방아는 수평으로 돌아가는 물레방아였다. 이후 수직으로 돌아가는 물레방아가 나오면서 크기가 더 커지고 힘도 더 커지게 되었다. 물레방아는 겉에 있는 물레바퀴가 떨어지는 물의 힘으로 돌아가면서 중심축에 센 회전력을 전달한다. 수력발전소의 수력터빈은 물레방아의 후손 격으로 유입구로 힘센 물이 들어왔다가 배출구로 나갈 땐 힘이 약해져서 나간다. 프랜시스터빈은 물이 터빈 주위를 수평 상태의 나선형으로 돌다가 유도 날개에 끌려 가장 효율이 높은 방향에서 터빈 날개에 부딪힌다. 물은 에너지를 다 소모한 다음 터빈의 가운데 구멍으로 나간다. 

 

풍차

인류가 바람의 힘을 처음으로 이용한 것은 7세기경 페르시아였다. 바로 풍차를 만든 것이다. 물레방아가 물레바퀴를 사용해 물의 힘을 이용한 것처럼 풍차도 날개를 사용, 큰 힘을 얻을 수 있었다. 일반적으로 풍차는 네 개의 커다란 수직 날개가 있다. 풍차 역시 축바퀴의 원리로 작동한다. 날개에 불어오는 바람의 힘이 중심축에 강한 회전력을 전달한다. 베벨 기어와 스퍼기어가 이 힘을 전달해 회전 숫돌이나 펌프를 가동한다. 풍차의 동력은 날개에 미치는 바람의 속도와 바람, 접촉하는 날개면적 등에 의해 결정된다. 풍차의 날개를 돌리는 바람의 힘은 자연 바람이기 때문에 방향과 속도가 일정치 않다. 그래서 풍차의 날개는 대부분 방향을 자유롭게 바꿀 수 있도록, 그래서 항상 바람을 정면에서 받을 수 있도록 설계되었다. 또 풍속의 변화에 맞게 날개의 면적을 변화시킬 수 있는데 여기에는 삼각돛과 스프링 돛이 이용된다. 지중해 연안에서 지금도 배의 돛처럼 단순 삼각형의 천으로 만든 돛을 이용한 풍차를 사용한다. 풍차 지기가 각각의 돛을 펼쳤다 접었다 한다. 스프링 돛은 1700년대 말에 돛을 천으로 만들지 않고 나무로 만든 셔터를 늘어놓은 풍차 날개가 등장했다. 셔터는 스프링의 힘으로 닫혀 있는데 돌풍이 불면 열리고 바람이 약해지면 닫힌다. 이것은 바람의 힘을 항상 일정하게 받기 위함이다.

 

풍력터빈

바람이 많이 부는 언덕이나 바닷가에서 우아하게 돌고 있는 풍력터빈은 보았을 것이다. 현대판 풍차의 역활을 하고 있는 이 풍력터빈은 회전 숫돌에 힘을 전달하는 대신 발전기를 돌린다. 바람에서 최대한 많은 에너지를 얻어내기 위해 거대한 회전날을 이용하기 때문에 길이는 최대 100m까지 긴 것도 있다. 바람 감지기의 신호를 받아 터빈의 컴퓨터는 회전날의 운동을 조절하여 어떤 바람에도 최대의 출력을 얻을 수가 있다. 풍력터빈의 회전대 위에서 돌고 있는데 그 날개는 항상 바람과 마주 보도록 조종한다. 회전날은 제어장치가 있어 날의 기울기를 조절할수 있어 최대의 출력을 얻도록 한다. 변속장치는 기어를 이용해 고속으로 회전하도록 조절해 효율적으로 가동한다.