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[장남중의 로프 이야기] 테크니컬 로프레스큐 - 도르래 시스템Ⅰ

장남중의 로프 이야기_ 여덟 번째

강원소방학교 장남중 | 기사입력 2020/04/07 [10:30]

[장남중의 로프 이야기] 테크니컬 로프레스큐 - 도르래 시스템Ⅰ

장남중의 로프 이야기_ 여덟 번째

강원소방학교 장남중 | 입력 : 2020/04/07 [10:30]

요구조자는 다양한 장소에서 구조를 기다린다. 로프 구조는 수직 환경에서 요구조자를 안전한 곳으로 이동시키는 능력이다. 구조대원들은 구조 시 요구조자를 중력의 힘과 마찰로 단순하게 내리는 방식을 선호한다. 이는 일반적이면서도 쉽고 구조대원과 장비, 로프가 많이 필요하지 않기 때문이다. 하지만 불행하게도 우린 모든 구조 현장이 항상 같지 않다는 걸 잘 알고 있다.

 

로프와 도르래 시스템은 중력을 거스르고 마찰을 극복하기 위해 사용한다. 구조 하중을 올리기 위해 도르래 시스템을 설치하는 건 매우 단순하다. 소수의 도르래 시스템을 암기하는 것이나 사전 장비 조작을 통해 도르래 시스템을 준비해 놓는 건 구조대가 일반적으로 많이 사용하는 방법이다.

 

그러나 도르래 시스템이 어떻게 기계적 확대율을 만들어 내는가에 대한 도르래 시스템 운영의 이해는 매우 중요하다. 구조대원이 시스템을 어떻게 설치할지 결정하는 능력과 문제를 해결하고 새로운 해결책을 설계할 수 있는 능력을 강화하는 데 도움을 주기 때문이다.

 

1. 지레(도르래) 유형

도르래 시스템은 지레의 원리와 같으며 입ㆍ출력 힘의 관점에서 생각해 보는 데 도움을 준다. 입력 힘은 지레 손잡이에 적용되는 당기는 힘이 된다. 출력 힘은 구조 하중과 함께 움직이는 지레의 이동력이 된다. 주어진 입ㆍ출력 힘은 하중과 지레 받침점의 위치에 따라 변한다. 지레는 유형 1과 유형 2, 유형 3으로 분류한다. 구조 작업에서는 유형 1, 유형 2, 유형 3의 도르래를 사용한다.

 

1) 유형 1 지레(도르래) 

유형 1 지레에서 받침점은 항상 하중과 입력 힘 사이에 있다. 좋은 예가 바로 받침이 정확히 중심에 놓인 ‘시소’다. 받침대를 왼쪽으로 움직이면 기계적 이점이 생기고 오른쪽으로 옮기면 감소한다. 받침대를 왼쪽으로 움직이면 펜치나 전선 절단기, 오른쪽으로 움직이면 한 쌍의 가위의 원리와 같다. 왼쪽 하중, 중심점, 반대쪽 당기는 힘 등 고정ㆍ방향변경 도르래는 유형 1 도르래이며 기계적 이점이 없다(유형 1 도르래 기계적 확대율 1:1).

 

 

로프가 통과해 도르래 자체가 위치를 잡는 방식으로 연결된 도르래는 고정됐다고 정의한다. 일반적으로 이런 방식으로 조작된 도르래는 로프의 방향을 변경시키지만 기계적 확대율을 제공하진 않는다. 인체공학적인 이유로 작업은 더 쉬워지나 도르래에 의해 더해지는 기계적 확대율은 없다. 고정 도르래는 ▲로프 방향을 바꿀 때 ▲실질적 개선을 제공하기 위해 ▲모서리 보호용으로 ▲확보지점 설치물을 줄일 때 ▲기계적 확대율 시스템에 대한 로프 길이를 추가할 때 사용한다.

 

고정 도르래는 확보지점에 힘을 증폭시킬 수 있다. 로프가 고정 도르래를 들어갔다 빠져나오며 형성되는 0~120° 사이에서 발생한다. 도르래가 고정 확보로 설치된 곳에서 도르래에 적용되는 입력 힘은 증폭된다. 각이 0°를 향해 평행해질수록 힘은 증가한다.

 

도르래로 들어갔다 빠져나온 로프가 완벽히 평행을 이룬다면 확보지점에 전달되는 힘은 두 배가 된다. 각이 180°를 향해 넓어질수록 확보지점에 전달되는 힘은 감소한다. 각이 정확히 120°를 이뤘을 때 확보지점에 대한 하중은 도르래의 입력 힘과 같다. 각도가 넓어질 때 확보지점에 전달되는 힘은 계속해서 감소한다.

 

각도가 180°에 도달했을 때 도르래나 확보지점에는 힘이 존재하지 않는다. 고정 도르래 장비 조작 시에는 고정 도르래가 수직으로 위치하든 수평으로 위치하든 각도를 고려해야 한다. 다른 장비 조작에도 동일하게 적용되며 고정 확보 설치 분야에서 더 넓게 다뤄진다. 여러 각도를 기억하는 것은 중요한 장비 조작 능력이다. 0°와 60°, 90°, 120°에 대한 증폭 요소를 아는 것은 안전하게 시스템을 설계하거나 점검하는 장비 조작 구조대원의 능력을 크게 향상할 것이다.

 

 

2) 유형 2 지레(도르래)

유형 2 지레에서 받침점은 한쪽 끝으로 이동하고 하중은 중간, 반대쪽 끝이 당기는 힘이다. 유형 2 지레의 좋은 예는 수레다. 

 

하중을 받침점에 가깝도록 움직이면 기계적 이점이 증가하고 오른쪽으로 이동하면 감소한다. 하중이 중간에 있을 때 지레의 기계적 이점은 2:1이다. 움직 도르래는 유형 2 도르래로 간주한다. 이 시점에서 기계적 이점이 두 배로 증가한다(유형 2 도르래 기계적 확대율 2:1).

 

 

3) 유형 3 지레(도르래)

유형 3 지레에서 받침점은 유형 2 지레의 반대쪽으로 이동한다. 하중은 반대편에 있고 당기는 힘은 중간에 가해진다. 이는 종종 기계적 불이익을 가져온다. 바비큐 요리에 사용하는 고기 집게는 유형 3 지레의 좋은 예다. 힘이 중간에 가해지므로 효율적으로 불리해진다. 중심에 힘이 가해지면 기계적 확대율은 1/2:1이다. 유형 3 도르래는 일반적으로 특정 작업에 대한 고급 로프 구조 기술(디플렉션 오프셋 등)에서 사용된다(유형 3 도르래 기계적 확대율 1/2:1).

 

 

2. 도르래 시스템 유형

1) 단순 도르래 시스템

도르래(카라비너)를 이용해 확보지점 또는 하중에 직접적으로 연결한 시스템이다. 하중에 연결된 움직 도르래와 확보지점에 고정된 고정 도르래를 통해 당기는 로프 길이를 연장함으로써 기계적 확대율을 만들어낸다. 모든 움직 도르래가 하중과 같은 속도로 움직이는 시스템이라고 정의할 수 있다.

 

단순 도르래 시스템은 구조대원이 기억하고 수행하기 쉽다. 넓고 길게 연장하고 쉽게 수정할 수 있는 장점이 있으나 효율을 높이기 위해서는 더 많은 마찰력, 로프, 장비가 필요하다. 확보지점에서 방향 도르래를 통해 단순하게 변경하면 당기는 대원은 어느 각도에서든 한 위치에 서서 시스템을 운영할 수 있다. 

 

 

① 단순 도르래 시스템의 일반적 규칙

• 당기는 대원에 가장 가까운 도르래가 확보지점에 있으면 고정 도르래가 되며 방향 변경으로 간주한다. 다른 도르래 시스템에도 동일한 규칙이 적용된다. 

 

• 이론적인 기계적 확대율이 홀수냐 짝수냐에 따라 도르래 시스템에 매듭된 로프 끝의 위치가 결정된다. 로프가 확보지점에서 끝난다면 기계적 확대율은 짝수가 될 것이다(홀수 하중, 짝수 확보지점 : 이 방법은 기계적 확대율 시스템 안에서 어디에 로프가 고정됐는지를 가리키는 데 도움을 준다).

 

• 확대율이 높을수록 단순 도르래 시스템은 더 많은 마찰력, 로프, 장비가 필요하다.

 

• 맨홀 등에서의 단순 기계적 확대율 시스템 운영 시 짝수 기계적 확대율은 당기기 고정 영역이 발생하고 가장자리에서 심각한 마모 위험이 생긴다. 

 

 

 



 

 

 

 

 

 

 ② 단순 도르래 시스템 계산하기

이론적인 단순 기계적 확대율은 하중이 움직인 거리와 당긴 로프의 길이 비교, 하중을 받는 라인의 수, 장력 따라가기를 통해 계산할 수 있다. 

 

• 하중을 받는 라인 수로 계산하기 : 이론적 도르래 확대율 계산은 확보지점과 하중 사이의 로프 수로 계산한다. 

 

 

• 장력 따라가기(T-방법) : 입력 힘이 도르래를 통해 들어갈 때 그 입력 힘의 반대 경로를 따라가는 건 도르래 마찰이 포함될 수 있다. 따라서 모든 도르래 시스템을 측정하는 정확한 수단이 된다. 실제 측정값이 무엇이든 상관없이 장력의 1단위로 입력 힘을 인식하고 로프의 경로를 따라 힘을 추적할 때 도르래에 의해 생긴 변화를 계산한다. 이론적으로 도르래를 빠져나가는 힘은 연결돼 있다.

 


[문제 1] 단순 도르래 시스템의 이론 기계적 확대율을 계산하시오.

 

 

2) 복합 도르래 시스템

단순 도르래 시스템의 끝을 당기는 단순 도르래 시스템으로 구성됐다면 복합 도르래 시스템이라고 할 수 있다. 복합 도르래 시스템은 로프 구조 작업에서 가장 많이 운용되는 기계적 확대율 시스템이다. 구조대원이 기억하고 수행하는 게 단순 도르래 시스템보다 어렵고 최소한 두 개로 분리된 단순 도르래 시스템 구성요소를 가져야 한다.

 

다른 하나의 시스템 구성요소를 끌어당기면서 재설정 작업은 증가한다(엇갈린 확보지점이 사용되지 않는 경우). 일반적으로 실질적인 마찰이 적고 로프를 덜 사용하며 확대율이 높을수록 이론적인 기계적 확대율은 더 적은 장비를 필요로 한다.

 

예를 들어 이론적 9:1 복합 도르래 시스템 (3:1)×(3:1)은 도르래를 네 개를 사용하지만 단순 9:1에서는 두 배를 사용해야 한다. 사용되는 도르래 수량이 적기 때문에 마찰이 작다. 구조대원이 장비 이동에서 적은 도르래를 갖고 이동하기 때문에 하중도 줄일 수 있다.

 

① 복합 도르래 시스템의 일반적 규칙

• 복합 도르래 시스템의 이론적 확대율 계산은 모든 단순 도르래 시스템 구성요소의 이론적 확대율을 곱하면 된다.

 

 

• 복합 도르래 시스템 내 각각의 단순 도르래 시스템은 입력(당김)ㆍ출력(하중)을 갖는다. 각 구성요소에 단순 기계적 확대율 시스템 규칙을 사용하고 각 구성요소를 개별적으로 표시한 후 곱한다.

• 복합 도르래 시스템에서 최소한의 재설정을 위해서는 하중에 제일 가깝도록 기계적 확대율이 가장 적은 도르래 시스템을 배치한다.

• 각 단순 도르래 시스템마다 확보지점의 거리와 방향을 엇갈리게 설치하면 복합 도르래 시스템 전체 효율성을 높일 수 있다. 첫 번째 단순 도르래 시스템의 당김 가용 거리와 기계적 확대율을 곱한 게 같아지도록 두 번째 단순 도르래 시스템의 거리를 늘리면 두 시스템을 동시에 재설정할 수 있어 효율적인 운영이 가능해진다(아래 그림 참조).

 

 

② 복합 도르래 시스템 계산하기

• 장비 시스템 증대 : 각각의 단순 도르래 시스템 라인 수를 구하는 규칙을 적용해 파악한 후 곱하면 된다. 또는 각각의 단순 도르래 시스템 확대율을 곱하면 된다.

• 장력 따라가기(T-방법) : 당기는 힘의 반대 경로로 따라가서 장력을 추적하는 건 복합 기계적 확대율을 계산하는 데 매우 좋은 방법으로 시스템을 통해 힘이 어떻게 분배되는지 확인할 수 있는 이점을 갖고 있다. 또 도르래 마찰 요인도 포함할 수 있어 실질적 확대율을 계산할 수 있다.

 


[문제 2] 복합 도르래 시스템의 이론 기계적 확대율을 계산하시오.

 


3) 복잡 기계적 확대율 시스템


단순ㆍ복합 도르래 시스템이 아닌 나머지 모든 시스템은 복잡 도르래 시스템이라 불린다. 복잡 기계적 확대율은 흔히 당기기 시스템을 유지하기 위해 더 많은 힘이 필요할 때 사용된다. 시스템이 여전히 하중을 지지하고 있을 때 Z-형 당기기 시스템에 당김 그랩과 움직 도르래를 추가하는 것은 당기는 힘을 더하는 쉬운 방법이다.

 

이런 유형의 복잡 도르래 시스템 사용 시 부작용은 짧은 당김 가용 거리다. 하중이 당겨질 때 움직 도르래들은 서로 마주치기 때문에 시스템 당김 길이가 상당히 짧다. 이런 유형의 복잡 도르래 시스템의 당기기 시스템은 매우 긴 공간이 있는 현장에서 사용할 때 좋다. 복잡 기계적 확대율의 계산은 장력 따라가기 방법을 사용한다. 

 

[문제 3] 복잡 도르래 시스템의 이론 기계적 확대율을 계산하시오.

 

 

3. 이론적 확대율 계산: 장력 따라가기(T-방법) 

• 로프 끝에 1의 단위 장력이 발생한다고 정한다.

• 여러 장력이 만나는 교차점에 도르래가 닿을 때까지 도르래 주변에서 움직이는 로프의 흐름을 따라간다. 

• 교차점에서 만나는 장력들을 더한다. 그 합이 교차점 너머에서 새로운 단위의 장력이 된다.

• 하중에 닿을 때까지 이 과정을 반복한다.

• 이론적으로 마지막 하중의 위치에서 나오게 되는 장력과 처음 시작할 때의 장력 비율이 기계적 확대율이다.

• T-방법은 이론상의 기계적 확대율을 계산하기 위한 것이다. 로프에 가해지는 실제 장력을 계산한 건 아니다. 로프를 당길 때의 실제 장력은 하중을 당겨 발생하는 힘보다 작거나 같다. 

 

 

4. 실제 확대율 계산: 장력 따라가기(T-방법) 

지금까지 기계적 확대율 계산을 위한 시스템 분석 과정에서는 시스템 안에 원래 존재하는 마찰력은 무시하고 계산했다. 마찰력을 계산하지 않으면 우리의 분석은 ‘이론상의 기계적 확대율’에 불과하다. 실제 현장에서는 당기는 팀이 반드시 극복해야 하는 마찰력이 존재한다.

 

‘도르래 효율’을 시스템 분석에 포함하면 T-방법으로 시스템의 ‘실제 기계적 확대율’을 계산할 수 있다. 시스템상의 마찰은 구조팀이 내는 실질적인 힘의 크기를 감소시킨다.

 

도르래 마찰은 곧 축에서 회전하는 바퀴 마찰이다. 로프가 도르래로 들어가고 나올 때 도르래 바퀴 둘레에서 구부러지고 펴지면서 생기는 결과이기도 하다. 더 부드럽고 잘 휘어지는 로프는 빳빳한 로프보다 효율성이 좋다. 여러 실험결과에서 도르래 효율은 로프가 부드러운 정도에 따라 15% 만큼 차이가 난다.

 

기계적 확대율에서 도르래 효율 효과는 누적된다. 그 효과는 시스템의 도르래 개수와 함께 증가한다. 한 개의 방향전환 도르래는 출력되는 힘을 5% 줄여주지만 네 개의 도르래가 있는 시스템에서는 출력되는 힘이 20% 가까이 줄게 된다. 

 

 

강원소방학교_ 장남중

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 1월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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