도르래
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1. 개요
도르래는 로프나 벨트를 사용하여 물체를 들어 올리거나 힘의 방향을 바꾸는 데 사용되는 간단한 기계이다. 고정 도르래, 움직 도르래, 복합 도르래로 분류되며, 고정 도르래는 힘의 방향만 바꾸고 기계적 이득은 1이다. 움직 도르래는 힘의 크기를 줄여 기계적 이득이 2이며, 복합 도르래는 고정 도르래와 움직 도르래를 조합하여 기계적 이득을 높인다. 도르래는 블록과 태클 시스템, 벨트 드라이브 등 다양한 방식으로 활용되며, 건설, 운송, 산업 등 다양한 분야에서 무거운 물체를 이동시키는 데 사용된다. 도르래의 원리는 힘의 평형과 일의 원리에 기반하며, 기계적 이득은 하중을 지지하는 로프의 개수와 관련이 있다.
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| 도르래 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 분류 | 단순 기계 |
| 산업 | 건설, 운송 |
| 바퀴 수 | 1 |
| 차축 수 | 1 |
| 기능 | |
| 용도 | 움직임을 지원하고 팽팽한 케이블의 방향을 변경하는 데 사용 기계적 이점을 제공 블록과 태클 시스템에서 사용 |
| 역사 | |
| 기원 | 고대 이집트와 메소포타미아에서 사용된 것으로 추정 |
| 초기 사용 | 돌을 들어올리는 데 사용 |
| 고대 문헌 | 아르키메데스의 저서에 언급됨 |
| 추가 정보 | |
| 다른 이름 | 도르래, 시브 |
| 영어 | pulley |
2. 도르래의 종류
도르래는 크게 고정 도르래, 움직 도르래, 그리고 이 둘을 조합한 복합 도르래로 나뉜다. 움직 도르래는 물체를 움직이는 데 필요한 힘을 절반으로 줄여주지만, 줄을 당기는 거리는 두 배가 된다. 복합 도르래는 더 적은 힘으로 물체를 움직일 수 있게 해준다.
도르래 장치는 기계적 이득이 정수가 되는 유일한 단순 기계이다.
2. 1. 고정 도르래
고정 도르래는 축이 지지 구조물에 부착된 베어링에 고정되어 있다. 고정 도르래는 원주를 따라 움직이는 로프나 벨트에 작용하는 힘의 방향을 바꾼다. 로프의 무게를 고려하지 않는 경우, 고정 도르래의 기계적 이득은 1이다. 즉, 로프 양쪽 끝에 걸리는 힘은 같다.[12] 우물 도르래, 돛대의 도르래 등이 고정 도르래를 활용한 예시이다.
2. 2. 움직 도르래
움직 도르래는 축이 움직이며, 물체를 절반의 힘으로 이동할 수 있게 해준다. 하지만 물체를 고정 도르래로 움직일 수 있는 만큼 이동하려면 두 배의 길이만큼 줄을 잡아당겨야 한다. 따라서 힘은 절반이 들지만 움직이는 거리는 두 배가 되어 전체적으로 하게 되는 일의 양은 같아진다. 이는 도르래의 무게와 마찰력을 무시했을 때의 경우이며, 실제로는 일의 양에 차이가 생긴다.[12]
단일 움직 도르래는 같은 로프의 두 부분에 의해 지지되며 기계적 이득은 2이다.[12]
2. 3. 복합 도르래
고정 도르래와 움직 도르래를 조합하면 힘의 크기를 줄이면서 방향도 바꿀 수 있다. 정약용이 수원 화성을 쌓기 위해 고안한 거중기가 복합 도르래의 예시이다.[9]움직 도르래의 수가 늘어날수록 같은 무게의 물체를 들어올리는 데 필요한 힘의 크기는 작아진다.
블록 앤 태클(block and tackle)은 각 도르래(바퀴)가 서로 독립적으로 회전하도록 조립된 도르래 세트인 블록을 이용한다. 한 블록에 로프를 연결하고 두 세트의 도르래를 통과시켜 만든 것을 블록 앤 태클이라고 한다.[7][8]
블록 앤 태클에서 이상적인 기계적 이점은 움직이는 블록을 지지하는 로프의 단면 수와 같다.
다음은 각 블록과 태클 조립체[9]의 이상적인 기계적 이점을 나타낸 표이다.
| 태클 종류 | 기계적 이점 |
|---|---|
| 건 태클(Gun tackle) | 2 |
| 러프 태클(Luff tackle) | 3 |
| 더블 태클(Double tackle) | 4 |
| 진 태클(Gyn tackle) | 5 |
| 쓰리폴드 퍼체이스(Threefold purchase) | 6 |
도르래는 힘의 평형과 일의 원리를 이용하여 작은 힘으로 무거운 물체를 움직이게 한다. 도르래의 원리는 다음과 같이 세 가지 주요 개념으로 설명할 수 있다.
thumb에 설치되어 있다. 두 개의 가동 도르래(결합됨)는 갈고리에 부착된다. 로프의 한쪽 끝은 크레인 프레임에, 다른 한쪽 끝은 윈치에 부착된다.]]
3. 도르래의 원리
이러한 원리들을 통해 도르래는 작은 힘으로도 무거운 물체를 움직일 수 있게 해준다. 하지만 힘이 적게 드는 대신 줄을 당기는 거리가 늘어나기 때문에, 전체적으로 하는 일의 양은 변하지 않는다.
3. 1. 힘의 평형
움직 도르래는 물체를 절반의 힘으로 이동할 수 있게 해주지만, 고정 도르래로 움직일 수 있는 만큼 물체를 이동하려면 그보다 두 배의 길이만큼 줄을 잡아당겨야 한다. 결국 힘은 절반이 들지만 움직이는 거리는 두 배가 되어 전체적으로 하게 되는 일의 양은 같아진다.[10][11] 물론 물리학적인 일의 양이 같다는 것은 도르래의 무게와 마찰력을 무시함을 전제로 한 것이며 실제로는 일의 양에서 차이가 생긴다.
보다 복잡한 복합 도르래를 사용하면 더 적은 힘으로 물체를 움직일 수 있다.
아래의 그림은 움직 도르래의 수와 같은 무게의 물체를 들어올리는 데 드는 힘의 관계를 정리한 것이다. 움직 도르래의 수가 늘어날수록 같은 무게의 물체를 들어올리는 데 필요한 힘의 크기는 작아진다.
도르래 체계의 가장 단순한 작동 원리는 도르래와 줄은 무게가 없고 마찰로 인한 에너지 손실이 없다는 가정하에 이루어진다. 또한 줄이 늘어나지 않는다고 가정한다.
평형 상태에서 움직이는 도르래에 작용하는 힘의 합은 0이어야 한다. 또한 로프의 장력은 각 부분에서 동일해야 한다. 이는 움직이는 도르래를 지지하는 로프의 두 부분이 각각 하중의 절반을 지지해야 함을 의미한다.
3. 2. 일의 원리
움직 도르래는 물체를 절반의 힘으로 움직일 수 있게 해 주지만, 고정 도르래로 움직이는 거리만큼 물체를 이동하려면 그보다 두 배의 길이만큼 줄을 잡아당겨야 한다. 결국 힘은 절반이 들지만 움직이는 거리는 두 배가 되어 전체적으로 하게 되는 일의 양은 같아진다.[10][11] 물론 물리학적인 일의 양이 같다는 것은 도르래의 무게와 마찰력을 무시함을 전제로 한 것이며, 실제로는 일의 양에서 차이가 생긴다.
도르래 장치는 행해지는 일의 양을 변화시키지 않는다. 일은 힘과 거리의 곱이다. 도르래는 힘이 적게 드는 대신 거리를 희생한다. 즉, 적은 힘으로 하중을 들어 올릴 수 있지만, 일정한 높이까지 들어 올리려면 더 길게 당겨야 한다.
3. 3. 기계적 이득
도르래 시스템의 기계적 이점은 하중과 입력 장력의 비율이다.[13] 이상적인 시스템에서는 하중을 지지하는 로프의 개수와 같다.
도르래 체계의 가장 단순한 작동 원리는 도르래와 줄은 무게가 없고 마찰로 인한 에너지 손실이 없다는 가정하에 이루어진다. 또한 줄이 늘어나지 않는다고 가정한다.
평형 상태에서 움직이는 도르래에 작용하는 힘의 합은 0이어야 한다. 또한 로프의 장력은 각 부분에서 동일해야 한다. 이는 움직이는 도르래를 지지하는 로프의 두 부분이 각각 하중의 절반을 지지해야 함을 의미한다.
가동 블록을 형성하는 도르래 세트와 이 블록을 지지하는 로프 부분을 고려해 보자. 하중 ''W''를 지지하는 로프 부분이 ''p''개 있다면, 가동 블록에 대한 힘의 균형은 로프 부분 각각의 장력이 ''W/p''여야 함을 보여준다. 이는 로프에 대한 입력력이 ''T''=''W/p''임을 의미한다. 따라서 블록과 태클은 입력력을 ''p''배만큼 줄인다.
하중과 입력 장력의 비율은 도르래 시스템의 기계적 이점 ''MA''이다.
:
따라서 시스템의 기계적 이점은 하중을 지지하는 로프의 개수와 같다.
예를 들어 그림 3에서는 로프의 한쪽 끝이 하중에 연결되어 있고, 그 로프로 지지된 도르래도 하중에 연결되어 있다. 따라서, 총 3개의 로프로 하중을 지지하고 있는 셈이다. 로프의 고정되어 있지 않은 끝에 100 kg의 장력을 가하면, 3개의 로프 각각이 100 kg의 힘을 발휘하여 전체적으로 300 kg의 하중을 지탱할 수 있다. 즉, 기계적 이득은 3이다.
위의 그림은 움직 도르래의 수와 같은 무게의 물체를 들어 올리는 데 드는 힘의 관계를 정리한 것이다. 움직 도르래의 수가 늘어날수록 같은 무게의 물체를 들어 올리는 데 필요한 힘의 크기는 작아진다.
실제로는 도르래와 줄의 무게, 마찰 등으로 인해 기계적 이득이 감소한다.
4. 도르래의 역사
도르래의 발명 시기와 발명자는 정확하게 알려져 있지 않다. 고대부터 우물이나 돛단배 등에서 도르래가 사용된 것으로 추정된다. 플루타르코스는 아르키메데스가 복합 도르래를 처음 개발했다고 기록하고 있다. 그는 복합 도르래를 이용하여 많은 사람들을 태운 큰 배를 움직였다고 한다.
4. 1. 거중기
정약용이 수원 화성을 쌓기 위해 고안한 복합 도르래이다. 로프와 도르래를 사용한 도르래 장치는 로프를 잡아당기는 선형적인 힘을 어떤 하중에 전달하여 그 하중을 들어올리는 것을 목적으로 한다.도르래 장치(복합 도르래)를 처음 개발한 사람은 아르키메데스라고 플루타르코스가 기록하고 있다. 플루타르코스에 따르면, 아르키메데스는 많은 사람을 태운 전함을 복합 도르래와 자신의 팔힘만으로 움직였다고 한다.
실제로는 도르래의 수가 증가하면 장치 전체의 효율은 저하하는데, 이는 장치 내부에서 케이블과 도르래 사이나 도르래의 회전 기구에 발생하는 마찰이 주된 원인이기 때문이다.
5. 도르래의 활용
도르래는 오래전부터 우물에서 두레박을 이용해 물을 쉽게 끌어올리는 데 사용되었고, 선박 분야, 들어 올리는 방식의 성문이나 도개교 등의 개폐에도 이용되어 왔다. 최근에는 크레인, 데릭, 엘리베이터, 로프웨이, 케이블카 등에도 응용되고 있다.
5. 1. 고대
도르래는 오래전부터 전 세계적으로 우물의 상부에 설치하여 두레박의 밧줄을 걸어 물을 쉽게 끌어올리는 데 사용되었다. 또한, 들어 올리는 방식의 성문이나 도개교 등에도 이용되어 왔다.5. 2. 현대
현대 사회에서 도르래는 다양한 분야에서 활용되고 있다.건설 현장에서는 크레인, 기중기 등에 사용되어 무거운 물건을 들어 올리는 데 사용된다. 엘리베이터, 에스컬레이터 등 승강 장치에도 도르래가 사용되어 사람이나 물건을 수직으로 이동시킨다.
자동차, 선박, 항공기 등 운송 수단의 엔진 및 구동 장치에도 도르래가 사용된다. 공장, 창고 등에서는 물건을 운반하는 데 도르래가 사용되며, 로프웨이, 케이블카 등 삭도에도 도르래가 사용된다.
블록과 태클은 요트, 등반 등 다양한 분야에서 활용된다.[9]
벨트와 풀리를 이용한 동력 전달 장치는 축 사이에 기계적 동력, 토크, 및 속도를 전달하는 데 사용된다. 풀리의 지름이 다르면 기계적 이점을 얻을 수 있다.
6. 도르래 관련 법규 및 표준
주로 인력으로 장력을 가하여 사용하는 것, 노동행위 이외의 개인적 용도로 사용하는 것, 매우 가벼운 하중의 용도(장난감이나 낚시 도구 등)로 파손에 의한 위험성이 낮은 것은 규격 등이 정해져 있지 않으며, 법령 규제도 받지 않는다. 그러나 노동행위에 사용하는 것, 동력 기계 장치로 장력을 가하는 것은 산업안전보건법 및 관련 규칙, 일본공업규격(JIS)에 적합한 구조와 강도를 갖춘 것을 사용해야 한다.
크레인, 데릭, 화물용 또는 작업용 엘리베이터 등에 사용하는 도르래는 산업안전보건법·크레인 등 안전규칙의 규정에 적합한 구조와 강도를 갖춘 것을 사용해야 한다.
건축물에 부속하는 승용 엘리베이터에 사용하는 도르래는 건축기준법 및 동 시행령의 규제를 받는다.
일정 규모 이상의 선박에 적재되는 양화장치(선박 크레인이나 데릭) 및 하역 장치에 사용하는 도르래류는 선급협회의 규격에 적합하지 않으면, 기항지국의 법령에 따라 접안, 하역 작업 및 입항이 금지될 수 있다.
JIS에서는 성능 유지와 안전 확보를 위해 다종다양한 시브와 도르래에 대해 규정하고 있다. 법령이나 규칙의 적용을 받지 않는 용도라도, 불량품 배제와 사고 예방의 관점에서 JIS에 적합한 도르래를 채용하는 것이 바람직하다.[1]
7. 용어
도르래는 여러 언어와 지역, 그리고 산업 분야에 따라 다양한 용어로 불린다.
| 구분 | 용어 | 설명 |
|---|---|---|
| 한국어 | 도르래 (활차) | 일반적인 밧줄, 끈 등에 접촉하여 회전하는 원반 모양의 회전륜. 일본공업규격 (JIS) 및 산업안전보건법 관련 규정에서는 축 또는 베어링과 미끄럼 관계에 있으며, 로프의 움직임에 따라 수동적으로 회전하는 원반형 회전륜 및 관련 기구를 지칭. |
| 풀리 | JIS에서 규정. 기계나 자동차 등에서 회전 동력을 전달하는 벨트 차. 도르래 범주에 포함되지 않음. | |
| 원동활차 | 영령에서 규정. 삭도 시설에서 원동기 및 브레이크 장치의 축에 연결되어 회전력을 전달하는 시브. | |
| 일본어 | 삭륜 (사쿠린) | 밧줄이나 로프를 안내하는 홈을 갖춘 원반형 회전륜. |
| 금차 (킨샤) | 금속제 삭륜. | |
| 목차 (모쿠샤) | 목재 삭륜. | |
| 프라금차 | 금속 프레임에 합성수지제 삭륜을 조합한 것. | |
| 영어 | 블록 (block영어) | 여러 개의 시브를 조합하거나 다른 물체와 결합하기 위한 부품을 갖춘 것. |
| 태클 (tackle영어) | 도르래를 이용한 장치. | |
| 시브 (sheave영어) | 삭상물을 안내하는 외주부 홈을 갖춘 삭륜 단체. | |
| 풀리 (pulley영어) | 벨트 차. | |
| 기타 | 스내치 블록 | 브래킷 또는 프레임 측면에 개폐 가능한 뚜껑을 설치하여 삭상물을 중간에 걸었다 뺐다 할 수 있는 구조. |
7. 1. 한국어
滑車일본어 또는 도르래한국어는 일반적으로 밧줄과 같은 끈 모양의 물체에 접촉하여 회전하는 원반 모양의 회전륜을 통틀어 부르는 말이다. 하지만 일본공업규격(JIS) 및 산업안전보건법과 관련 규정을 근거로 하면, 축 또는 베어링과 '''미끄럼 관계'''에 있으며, 로프의 움직임에 따라 '''수동적으로 회전'''하는 원반형 회전륜 단체 및 원반형 회전륜에 다른 물체에 장력을 전달하는 구조를 부가한 기구가 「'''도르래'''」라고 할 수 있다.[1]기계나 자동차 등에서 회전 동력을 전달하는 목적으로 무한대의 벨트를 구동하는 벨트 차 또는 벨트의 운동을 받아 회전력을 얻는 벨트 차는 JIS에서 「'''풀리'''」로 규정하고 있으며, 이들은 도르래의 범주에는 포함되지 않는다.[1]
유럽과 미국에서는 '''블록'''(block영어), '''태클'''(tackle영어), '''시브'''(sheave영어), '''풀리'''(pulley영어)라고 한다. 일본 산업계에서는 예전부터 밧줄이나 로프를 안내하는 홈을 갖춘 원반형 회전륜을 「'''삭륜'''」(사쿠린)이라고 부르고 있으며, 재질 면에서는 금속제의 것을 「'''금차'''」(킨샤), 목재의 것을 「'''목차'''」(모쿠샤)라고 약칭하는 경우가 많다. 최근에는 경하중 용도로 많이 사용되는 금속 프레임에 합성수지제 삭륜을 조합한 것을 「'''프라금차'''」라고 부르고 있다.[1]
현재 일본 산업계에서는 삭상물을 안내하는 외주부 홈을 갖춘 삭륜 단체를 '''시브'''(sheave영어)라고 부르고, 여러 개의 시브를 조합한 것 또는 다른 물체와 결합하기 위한 브래킷, 프레임, 후크, 아이 등을 갖춘 것을 '''블록'''(block영어)이라고 부르는 것이 일반적이다. 또한 브래킷 또는 프레임의 측면에 개폐 가능한 뚜껑을 설치하여 삭상물을 중간에 걸었다 뺐다 할 수 있는 구조의 것을 「'''스내치 블록'''」이라고 부르고 있다.[1]
로프식 엘리베이터나 삭도 등에서 원동기 및 브레이크 장치의 축에 연결되어 회전력을 전달하여 주행삭이나 예인삭을 구동하는 시브를 '''트랙션 시브'''(traction sheave영어)라고 부르는 제조업체가 많지만, 삭도 시설에 관한 기술적 기준을 정하는 영령에서는 이것을 「'''원동활차'''」라고 규정하고 있다. '''원동활차'''는 삭도의 구동륜에 한정된 특수한 복합 명사이며, 일반적인 「'''활차'''」와 혼동하지 않도록 주의해야 한다.[1]
7. 2. 영어
일본공업규격(JIS) 및 산업안전보건법 관련 규정에 따르면, 축 또는 베어링과 미끄럼 관계에 있고 로프의 움직임에 따라 수동적으로 회전하는 원반형 회전륜 및 관련 기구를 「'''도르래'''」라고 한다.유럽과 미국에서는 '''블록'''(block영어), '''태클'''(tackle영어), '''시브'''(sheave영어), '''풀리'''(pulley영어)라고 한다. 일본 산업계에서는 밧줄이나 로프를 안내하는 홈을 갖춘 원반형 회전륜을 「'''삭륜'''」(사쿠린)이라고 부르며, 재질에 따라 금속제는 「'''금차'''」(킨샤), 목재는 「'''목차'''」(모쿠샤)라고 약칭한다. 최근에는 금속 프레임에 합성수지제 삭륜을 조합한 것을 「'''프라금차'''」라고 부른다.
현재 일본 산업계에서는 삭륜 단체를 '''시브'''(sheave영어)라고 부르고, 여러 개의 시브를 조합하거나 다른 물체와 결합하기 위한 부속품을 갖춘 것을 '''블록'''(block영어)이라고 부른다. 삭상물을 중간에 걸었다 뺐다 할 수 있는 구조는 「'''스내치 블록'''」이라고 한다.
로프식 엘리베이터나 삭도 등에서 원동기 및 브레이크 장치의 축에 연결되어 회전력을 전달하는 시브는 '''트랙션 시브'''(traction sheave영어)라고 부르지만, 영령에서는 이것을 「'''원동활차'''」라고 규정한다.
7. 3. 일본어
일본공업규격(JIS) 및 산업안전보건법과 관련 규정에 따르면, 축 또는 베어링과 미끄럼 관계에 있으며, 로프의 움직임에 따라 수동적으로 회전하는 원반형 회전륜 및 관련 기구를 「'''도르래'''」라고 한다.일본 산업계에서는 밧줄이나 로프를 안내하는 홈을 갖춘 원반형 회전륜을 「'''삭륜'''」(「'''사쿠린'''」)이라고 부르며, 재질에 따라 금속제는 「'''금차'''」(「'''킨샤'''」), 목재는 「'''목차'''」(「'''모쿠샤'''」)라고 약칭한다. 최근에는 경하중 용도로 금속 프레임에 합성수지제 삭륜을 조합한 것을 「'''프라금차'''」라고 부른다.
현재 일본 산업계에서는 삭륜 단체를 sheave영어라고 부르고, 여러 개의 시브를 조합하거나 다른 물체와 결합하기 위한 부품을 갖춘 것을 block영어이라고 부른다. 삭상물을 중간에 걸었다 뺐다 할 수 있는 구조는 「'''스내치 블록'''」이라고 부른다.
로프식 엘리베이터나 삭도 등에서 원동기 및 브레이크 장치의 축에 연결되어 회전력을 전달하는 시브는 traction sheave영어라고 부르지만, 영령에서는 「'''원동활차'''」라고 규정한다.
참조
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