엄마, 엘리베이터는 어떻게 동작해요?
엄마: 우리 방이 1004호면 10층이겠지?
리원: 와~ 우리 호텔 엘리베이터는 투명하네요. 엘리베이터에서 밖이 보여요~
엄마: 그러네. 바깥 전망도 구경할 수 있구나.
리원: 어! 엄마, 방금 지나간 것 보셨어요? 뭔가 무거운 돌 같은 것이 아래로 내려갔는데요?
엄마: 응. 봤어.
리원: 왜 이 엘리베이터는 저런 게 있어요?
엄마: 하하. 아냐. 이 엘리베이터만 있는 게 아니고 우리 아파트 엘리베이터에도 다 있어. 보이지 않을 뿐이지.
리원: 그래요? 엘리베이터는 옥상에 있는 모터가 끌어올리거나 내리는 것 아니에요?
엄마: 맞아. 벌써 다 알고 있네?
리원: 그런데 왜 저렇게 무거운 것을 달아 놨어요? 더 힘들게?
엄마: 좋은 질문이야~. 그런데 우리가 올라올 때 아까 그 무거운 돌은 어디로 움직였어?
리원: 아래로요. 내려갔어요.
엄마: 맞아. 바로 그거야. 그 돌 덕분에 엘리베이터를 움직일 때 전기를 더 적게 쓰게 돼.
리원: 응? 왜요?
엄마: 리원아, 도르래 알아?
리원: 네. 학교에서 배웠어요. 아~~ 그러면 바로 그 도르래 원리인가요?
<그림> 도르래 원리와 엘리베이터
엄마: 그래~ 맞아. 역시 우리 리원이다.
리원: 그러니까 엘리베이터 하고 그 돌을 도르래로 연결했다는 거네요?
엄마: 그렇지. 만약 1,000 kgf의 무게를 가진 엘리베이터를 단독으로 올리려면 1,000 kgf의 힘이 필요하겠지만, 만약 도르래로 900 kgf의 무게추와 연결해 놓았다면 100 kgf의 힘만 있으면 엘리베이터를 올릴 수 있는 거지.
리원: 네. 그렇겠네요. 참 똑똑한 사람들이 많아요~.
[보다 자세한 설명]
1. 엘리베이터의 기본 원리와 구조
현재 엘리베이터는 아래 <그림>처럼 로프를 도르래에 걸고 양 끝에 승강기차(카)와 무게추를 움직이는 권상식(traction) 구동방식이 가장 많이 사용되고 있다. 기차가 레일이 놓인 철길로 달리듯이 엘리베이터와 무게추(균형추)도 가이드레일을 따라서 상하로 움직이도록 구성되어 있다.
<그림> 엘리베이터의 구조2. 엘리베이터는 안전할까?
엘리베이터는 추락의 위험을 느낄 수밖에 없지만, 사실 매우 다양한 안전장치가 설치되어 있다.
첫째, 줄이 끊어지면 어떻게 될까? 실제로 메인 로프는 6가닥의 두꺼운 철근으로 구성되며 이 중 3가닥이 끊어지더라도 승강기를 지탱하므로 추락의 위험은 적다. 둘째, 그럼에도 불구하고 모든 로프가 끊어지면? 이렇게 비정상적으로 떨어질 경우는 승강기 하부에 위치한 비상정지장치가 가이드레일을 물어서 브레이크를 작동시키게 된다. 그 외에도 정전이 될 경우 로프를 움직이는 권상기라는 장치가 자동으로 브레이크를 작동시키는 등 다양한 안전장치가 마련되어 있어 추락에 의한 사고는 극히 드물다.
초창기 엘리베이터에는 이런 안전장치가 없었는데 미국의 엘리샤 오티스라는 엔지니어가 1854년 뉴욕 박람회에서 안전장치가 도입된 엘리베이터를 최초로 선보였다. 그는 실제 본인이 타고 있는 엘리베이터 줄을 끊었음에도 추락하지 않는 시연을 보여주었던 것이다. 그가 세운 오티스(Otis)사는 지금껏 세계적인 엘리베이터 업체로 자리매김하고 있다.
<그림> 엘리베이터를 시연하는 엘리샤 오티스 (출처: 나무위키)
3. 엘리베이터의 미래?
앞으로 미래의 엘리베이터는 어떻게 될까?
고정관념을 벗어나면 재미있는 아이디어가 나올 수도 있다. 엘리베이터는 항상 줄이 달려 있는데, 역발상으로 줄이 없는 엘리베이터는 어떨까? 실제로 전자석의 원리를 이용해서 줄을 없앤 엘리베이터도 사용되고 있다. 아직은 화물용에만 적용하고 있지만...
사무실 등에서 자판기를 이용하기 위해 엘리베이터를 이용한 적이 있을 것이다. 역발상으로 자판기가 엘리베이터를 타고 이동하는 것은 어떨까?
엘리베이터를 타고 어디까지 올라갈 수 있을까? 미 항공우주국(NASA)과 관련 기업들은 우주에 떠 있는 인공위성과 땅을 연결하는 엘리베이터를 구상하고 있다. 물론 이때 인공위성은 지구 자전 속도와 같이 움직여서 지구에서 보면 정지해 있는 상태여야 할 것이다. 그런데 정지궤도에 위치하려면 고도 3만 5천 km 정도에 위치해야 한다. 대만 타이베이 금융센터 건물의 엘리베이터가 현재 가장 빠른 엘리베이터로 시속 60km/h의 속도인데, 그 속도로 가더라도 580시간, 즉, 24일이 넘어 도착하게 된다. 아마도 여기에는 자기 부상 열차의 원리를 이용한 시속 수천 km의 엘리베이터가 필수적일 것이다.
또 어떤 엘리베이터가 가능할까? 더 재미있는 엘리베이터를 아이들과 상상해보시길.
<그림> 우주 엘리베이터 상상도 (출처: NASA)