요즘 여러 중학교 학생들이 최근 교육부가 중점적으로 시행하고 있는 자유학기제 체험 프로그램의 일환으로 우리 학교를 방문하고 있다. 필자가 이들에 대한 교육을 종종 실시하고 있는데 한 가지 특이한 점이 보인다. 이들은 주로 중학교 1학년들이 기 때문에 사회적 경험이나 설비에 대한 이해는 매우 부족한 상태이다. 하지만 엘리베이터 자체에 대한 호기심이 대단해 필자를 놀라게 한다.
이 프로그램을 통하여 조금이라도 학생들에게 직업 탐색의 기회를 제공하고 교실에서 배울 때 조금은 딱딱하고 지루할 수 있는 과학적 지식을 최대한 엘리베이터의 원리와 관련지어 설명하고 있는데 학생들의 집중도는 매우 좋은 편이다. 특히, 실습동에 있는 엘리베이터는 작동현황을 한 눈에 훤히 볼 수 있어 학습 효과를 더욱 높일 수 있다.
학생들에게 첫 시간에는 엘리베이터의 구조 및 부품, 이와 관련된 도르래의 원리, 알짜 힘, 마찰력, 운동에너지, 위치에너지 등을 소개한다.
건물의 적절한 위치에 설치된 승강기를 설치하고 운전하기 위한 승강로가 있는데 승강로 맨 꼭대기에는 기계실이라는 곳이 있다. 물론 이곳은 문이 설치되고 함부로 출입을 하지 못하도록 잠금장치가 되어 있어 권한을 가진 사람만이 출입하도록 하고 있다. 이 기계실 내에는 권상기라는 기계장치가 있는데 여기에 도르래가 설치되어 전동기에 의해 회전된다. 이 도르래의 홈에 와이어로프라는 강한 쇠줄이 3가닥 이상 감겨있는데 한 쪽에는 사람들이 타고 내리는 카(Car)가 있고 다른 한 쪽 끝에는 카의 무게에 카에 타는 사람의 무게 평균을 더한 무게로 대응하는 균형추(Counter weight)가 달려 있다.
이 도르래의 홈과 와이어로프 간의 마찰력에 의해 전동기에 의한 도르래의 회전력을 와이어로프로 전달하여 카를 상하방향으로 이동시킨다. 이 홈의 형태에 따라 마찰계수가 달라지는데 마찰계수가 높으면 마찰력을 높여 미끄럼은 방지할 수 있으나 와이어로프의 마모가 심해질 수 있으므로 적절한 설계가 필요하다.
또한, 중학교 1학년 과학 과목에 나오는 알짜 힘(합력)에 대해 알아 본다. 도르래를 기준으로 두 힘(카와 균형추)이 반대 방향으로 작용하고 있기 때문에 카의 무게와 균형추의 무게를 최대한 같게 하면 알짜 힘이 0에 가까워지기 때문에 적은 힘으로도 도르래를 돌릴 수 있어 전동기의 용량이 적어도 되고 소비전력도 적어지는 잇점이 있다.
그런데 이 두 힘이 똑같아 지는 경우가 매우 드물다. 일단은 카의 무게가 정해지면 반대편에 카의 무게와 동일한 무게의 균형추를 설치하여 힘의 평형을 유지한다. 이 때에 와이어로프의 쏠림에 의한 무게의 편중을 무시하면 양 쪽의 무게가 동일하다.(고층건물이 되면 이 와이어로프의 쏠림에 의한 무게도 고려해 주어야 한다.) 그러나 카에는 사람이 타야하고 최대한 탈 수 있는 무게를 정격하중이라고 하는데, 카에는 사람이 아무도 타지 않고 빈 카로 운행하거나 몇 사람만 타거나 최대 무게인 정격하중까지 타는 경우 등 여러 경우가 발생할 수 있다. 그래서 카에 평균적으로 타는 비율을 고려하여 정격하중의 절반 정도의 무게를 균형추에 더해 달아 준다. 이를 ‘오버밸런싱(Overbalancing)’이라고 한다.
그러므로 일반적으로 엘리베이터에 사람이 아무도 타지 않았을 경우의 카 측의 무게보다 균형추 측의 무게가 더 무겁다. 즉, 균형추 측의 무게가 카 측의 무게보다도 정격하중의 절반 정도가 더 무겁다. 따라서, 엘리베이터에 탑승할 수 있는 최대 정원의 절반이하가 탔을 경우에는 균형추의 무게만으로 카를 끌어 당겨 올릴 수 있다.
아울러, 양 측의 무게가 불균형인데도 불구하고 각 층에 정확히 정지하고 그 정지 상태를 유지하는 것은 권상기에 있는 브레이크에 의해서이다. 운전 중에는 전동기의 회전력에 의해 카의 운전이 조절되고 정지 시에는 브레이크의 작동으로 정지 상태를 유지하는데 이 전동기와 브레이크의 연동 체계는 같은 기계실에 있는 ‘엘리베이터의 두뇌’라고 할 수 있는 제어반에 의해 조절되기 때문이다. 이와 같이 엘리베이터의 구조에도 과학적 원리가 적용되어 있다.
