< 일러스트 OpenAI의 DALL·E 제공 >
우리 모두가 거의 매일 타는 엘리베이터의 원리는 무엇일까?
[위즈덤 아고라 / 이석현 기자] 엘리베이터는 우리가 도시에서 건물을 지으며 살아가는 삶의 방식을 혁신적으로 바꾸어 놓았다. 이 세상에 수많은 마천루가 있을 수 있는 이유 또한 엘리베이터의 존재 덕분이다. 그러면 엘리베이터란 어떻게 작동할까?
엘리베이터는 오래전 아르키메데스가 개발한 도르래로부터 발전하게 되었다. 루이 15세기 베르사유 궁전에도 엘리베이터가 있던 것으로 알려져 있다. 그러나 그 당시에는 안전성이 강화되지 않아 줄이 끊어지거나 사람이 추락해 죽거나 다치는 일이 많았다고 한다. 지금의 엘리베이터 기본 구조와 가장 비슷한 것이 사용된 것은 19세기다. 1853년 오티스는 혁신전인 안전장치를 개발했다. 그가 만든 엘리베이터는 밧줄로 위아래로 움직일 수 있는 간단한 리프트다. 안전장치로 leaf spring, pivot arms 그리고 톱니(teeth)로 이루어졌다. 리프트가 올라갈 때 pivot arm이 회전하며 엘리베이터가 상승한다. 밧줄에 장력이 풀리면 leaf spring이 pivot arm을 아래로 내리며 pivot arm이 톱니와 접촉하여 엘리베이터가 멈춘다. 이로서 엘리베이터의 추락을 방지했으며 세계 최초로 안전한 엘리베이터를 개발했다. 지금도 오티스 이름의 엘리베이터는 전 세계에 애용되고 있다. 우리나라에 현대식 승강기가 설치된 시기는 1900년 전 후로 추정되고 있다. 1910년 조선은행에 처음으로 설치되었다. 승객용 엘리베이터는 1914년 웨스틴 조선호텔에 맨 처음으로 설치되었다. 즉 엘리베이터는 꽤나 오래된 역사를 가지고 있다.
엘리베이터의 부품의 이름은 조금씩 다르지만 엘리베이터가 다니는 통로를 shaft 혹은 hoistway라고 부른다. 엘리베이터 최하층에 있는 곳이 elevator pit, shaft 안에 위아래로 움직이고 사람을 옮기는 것이 cab이다. Cab 양 옆에 있는 길쭉한 철이 guide rail, cab에 부착되어 있는 rail을 따라 움직이게 하는 guide roller가 있다.
2가지 종류의 엘리베이터가 존재한다. 바로 유압(hydraulic) 엘리베이터와 견인(traction) 엘리베이터다. 견인 엘리베이터는 케이블을 이용해 위에서 cab을 들어 올리는 것이고 유압 엘리베이터는 아래에서 cab을 밀어 올리는 방식의 엘리베이터다. 실제로는 거의 대부분 견인 엘리베이터를 사용한다.
유압 엘리베이터는 실린더(cylinder)와 피스톤(piston)을 사용한다. 이러한 엘리베이터는 cab을 위로 밀어 올릴 충분한 길이를 확보하고 위해 지하 깊게 확장된다. 엘리베이터 가까이에는 기름이 가득 찬 펌프 유닛(pump unit)이 있는 기계실이 있다. 엘리베이터가 위로 올라갈 때 기름이 파이프를 통해 실린더 안으로 펌핑된다. 이로 인해 압력이 피스톤을 위로 밀어 cab이 위로 올라가게 된다. 보통 낮은 건물에 사용되는 엘리베이터다.
반면 높은 건물에서 볼 수 있는 견인 엘리베이터의 shaft 위에는 기계실이 위치한다. 기계실에는 전동 모터가 있다. 모터가 sheave라는 특별한 도르래로 케이블을 당긴다. 모터의 한쪽으로는 케이블이 내려가 cab과 연결되고 다른 한쪽은 케이블이 밸런스 추(counterweight)와 연결된다. 밸런스 추는 cab과 반대방향으로 움직여서 모터에 가해지는 막대한 압력을 줄이기 위해서다. 이는 밸런스 추가 없으면 모터는 한쪽으로만 엄청난 무게를 올렸다가 내려야 되기 때문이다. 즉 밸런스 추는 모터에 가해지는 부담을 줄여준다. 이로 인해 모터는 많지 않은 힘으로 cab을 조종할 수 있다.
엘리베이터는 승객의 안전을 위해 많은 안전장치가 탑재되어 있다. 먼저 기계 브레이크(machine brake)가 있다. 이 브레이크는 모터 옆에 위치하고 있으며 케이블의 움직임을 멈추면서 엘리베이터의 추락을 멈춘다. 또한 cab의 바닥에는 비상 브레이크(emergency brake)가 있고 guide rail에 붙어있는 clamp도 있다. 평소에는 clamp가 guide rail과 접촉하지 않지만 레버가 올라가면 clamp가 guide rail을 잡아 엘리베이터가 추락하는 것을 막는다. 이때 레버는 케이블과 연결되어 있는데 이 케이블은 엘리베이터를 움직이는 케이블과는 별개로 guide rail 쪽에 있는 과속 장치(overspeed governor)와 연결되어 있다. 과속 장치는 기계실과 같이 shaft 위에 위치해 있다. 이 장치는 엘리베이터의 움직임과 함께 움직인다. 이 내부에는 2개의 플라이휠(flyweight)이 있다. Cab이 너무 빠른 속도로 아래로 내려가기 시작하면 과속 장치가 더 빠르게 회전한다. 너무 빠르게 돌면 플라이휠이 밖으로 회전하기 시작하고 옆쪽에 있는 기어 톱니를 잡는다. 이로 인해 회전이 멈추고 케이블도 멈추게 되면서 cab의 무게 때문에 레버가 올라가게 된다. 레버가 올라감과 동시에 양쪽에 있는 clamp도 guide rail에 고정되면서 엘리베이터는 멈춘다.
엘리베이터에는 2개의 문이 존재한다. 각층에 있는 문 1개와 cab의 문 1개다. 각층에 있는 문은 승강로문(hoistway door)이고 cab에 있는 cab door이다. Cab 위쪽에는 문 개폐 장치가 있다. 개폐 장치가 기어를 돌려 레버를 당기면 2개의 문이 동시에 열린다. 승강로문은 절대로 혼자 열리지 않는다. 각 승강로문에는 interlock이 있다. 이는 cab이 도착하기 전까지 문이 열리지 않도록 고정시키는 장치다. Interlock에는 beak라는 장치가 있는데 이것이 내려가 있으면 문이 열리지 않는다. Beak와 연결되어 있는 막대가 위로 올라가면 beak도 같이 올라가게 되고 문이 열린다. 승강로문 아래쪽에는 pick-up roller 2개 있는데 왼쪽 pick-up roller가 회전하면 연결되어 있는 막대가 위로 올라가면서 문을 연다. Cab door에는 clutch라는 부품이 있는데 cab이 움직일 때 clutch도 pick-up roller 주위를 따라 움직인다. Cab이 멈추면 cab door가 열리는데 이때 clutch가 pick-up roller를 밀어내면서 잠금장치를 해제한다. 이렇게 양쪽 문이 함께 열린다.
이러한 복잡한 방법을 통해 엘리베이터들은 하루에 수많은 사람을 옮긴다. 엘리베이터는 우리의 일상을 편리하게 만들어 주는 기술의 집약체입니다. 간단해 보이지만 그 안에는 다양한 원리가 담겨 있다. 다음에 엘리베이터를 이용할 때는 이 작은 공간이 어떻게 움직이는지 한 번쯤 떠올려보는 것도 흥미로울 것이다.
[위즈덤 TECH] 시간이 흐르며 인공지능이 발전하는 것 처럼 우리 주변에 있는 수많은 기계들도 발전합니다. 일상적으로 접할 수 있는 기계의 원리들에 관해 칼럼으로 연재합니다. 위즈덤 아고라 이석현 기자의 ‘위즈덤 TECH’를 만나보세요.
