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[장남중의 로프 이야기]테크니컬 로프레스큐 - 힘의 증가

열두 번째

강원소방학교 장남중 | 기사입력 2020/05/20 [15:10]

[장남중의 로프 이야기]테크니컬 로프레스큐 - 힘의 증가

열두 번째

강원소방학교 장남중 | 입력 : 2020/05/20 [15:10]

모든 구조대원은 역학의 몇 가지 기본 용어와 개념이 로프 구조시스템에 어떻게 적용되는지 이해할 필요가 있다.

 

질량을 가진 물체를 가속시킬 수 있는 모든 것으로 방향과 크기라는 두 가지 주요 특성을 가져 벡터의 양이 된다. 뉴턴의 제2법칙을 보면 외부에서 힘이 가해지면 물체는 힘에 비례하고 질량에 반비례하는 가속도를 갖게 된다(힘=질량×중력가속도, F=mg). 힘은 질량과 속도에 따라 달라지며 접촉력(움직이는 마찰 등 상호의 물체에 작용하는 힘)과 필드력(낙하할 때 지상의 중력 당김)으로 구분된다. 접촉력은 필드력에 반대해 작동한다. 로프시스템 설계와 설치, 분석을 진행할 때 중요한 핵심은 질량(구조 하중)보다 힘(또는 잠재적인 힘)이다. 확보지점 실패나 장비 파괴, 구조대원의 사망 또는 부상이 생기는 원인은 질량이 아니라 로프시스템에 가해지는 힘 때문이다. 구조대원은 로프 구조 장비와 시스템을 분석할 때 시스템에 의해 정지되는 하중(질량)과 시스템에 작용하는 힘(kN)을 구분하는게 중요하다.

 

중력

로프 구조에서 다루는 몇 가지 종류의 힘 중 첫 번째 고려대상이 된다. 중력은 항상 존재하기 때문에 지속해서 구조대원을 아래로 잡아당기고 구조 하중을 바닥으로 당긴다. 지구 표면에서 중력의 값은 g=9.81㎨로 표현된다. 지구 표면에서 자유낙하하는 물체는 매초마다 속도가 9.81㎨증가한다. 예를 들어 절벽 위에서 떨어지는 사람(초기 정지 상태에서)은 1초 후 9.81㎧, 2초 후 19.6㎧ 등의 속도에 도달해 종단속도(저항력을 발생시키는 유체 속을 낙하하는 물체가 다다를 수 있는 최종 속도)에 도달한다.

 

벡터 힘

시스템 설치 이해는 삼각 함수와 벡터 물리학 중 최소한의 몇 부분을 이해하는 거다. 각도와 구성 요소, 합력에 대한 지식은 훌륭한 시스템 설치의 기본이 된다. 벡터는 방향과 크기를 모두 가진 힘의 물리적 특성이다. 로프에 의해 공중에 매달린 하중은 특정한 힘 벡터를 갖는다. 로프의 장력(힘)은 방향과 특정 크기(중력에 의해 작용하는 질량의 무게)를 갖고 있다. 만약 그 로프가 어떤 식으로든 구부러진다면 가장자리나 도르래 둘레에 새로운 추가 벡터가 만들어진다. 이 벡터들은 확보지점 시스템에서 들것의 브리들에 이르기까지 연결의 모든 곳에 존재한다.

 

힘 벡터는 그래프로 표시하거나 단순한 화살표로 나타낼 수 있으며 항상 힘의 방향을 표시한다.

하나의 힘 벡터 구성요소의 길이를 다른 힘 벡터 구성 요소의 길이와 비교해 보면 각 벡터의 방향과 상대적인 크기를 한눈에 알 수 있다.

▲ 두 벡터(화살표)가 같은 방향이며 우측의 화살표가 좌측 화살표의두 배 힘을 갖고 있다.

 

따라서 가장 긴 구성요소는 더 큰 크기를 갖는다. 두 가지 요소를 비교함으로써 두 번째 요소가 첫 번째 요소보다 약 2배 더 강력하거나 강하다고 추론할 수 있다. 두 가지 요소가 합쳐져 각도를 만든다. 합력은 이 두 구성 요소를 결합해 생성된 벡터 힘이다.

 

▲ 두 벡터(화살표)가 다른 방향으로 움직이는 힘의 크기가 다르다.

 

합력을 결정하려면 주어진 각도에서 평행선을 그린다. 원래 각도(합력)에서 평행선의 반대 각도까지 새 선(구성 요소)을 그린다. 그 결과로 생긴 구성요소의 길이를 각도의 구성 요소와 비교해 보면 단순히 어떤 구성요소가 가장 긴지 결정되며 이 시스템의 어떤 구성요소가 가장 큰 힘을 생산하고 있는지 쉽게 알 수 있다.

 

 

로프의 구성요소가 도르래를 통과할 때 도르래는 로프의 구성요소를 동일시하고 그것들을 같게 만든다. 합력(이 경우 도르래)은 항상 두 개의 로프 구성요소 사이의 중간 위치를 찾는다. 

 

장력이 가해진 도르래의 중심은 항상 관련 확보지점에서 작업할 때 발생하는 힘의 정확한 위치와 방향을 가리킨다.

 

 

도르래의 합력은 도르래에서 들어가고 나오는 로프 사이의 중간 지점을 가리킨다. 평행사변형 사용은 여전히 그 결과의 힘과 방향, 크기를 결정하는 데 효과적이다.

 

도르래 합력은 도르래의 힘이 어디로 향하는지를 나타내는 절대 지표다.

 

 

가끔 구조대원들은 다중 확보지점의 각도와 방향전환 도르래의 각도를 분석할 때 잘못 이해하고 있는 부분들이 있다. 대부분의 로프 구조대원들은 90° 각도에서 2×1 다중 확보지점의 각 확보지점이 하중의 71%를 받고 150° 각도는 하중의 200%를 받는다고 알고 있다. 방향전환 도르래에서 들어가고 나오는 로프에 동일한 각도를 줄 때 구조대원들에게 방향 도르래 확보지점에 받는 힘에 관해 물으면 대부분 다중 확보지점과 같은 원리를 적용해 잘못된 대답을 한다.

 

아래 같은 각도에서 두 개의 확보지점을 갖는 로프 시스템(다중 확보지점과 방향전환 시스템)이 100㎏의 하중을 받을 때 각각의 확보지점이 받는 하중 분담 비율의 비교를 통해 서로 다른 차이가 있다는 걸 알 수 있다.

 

 

위 그림 첫 번째 시스템은 다중 확보지점으로 100㎏의 하중을 받을 때 A1과 A2 각각의 확보지점은 90°에서 71㎏의 힘을 받게 된다. 두 번째 방향전환 시스템에서 100㎏의 하중을 받는다면 A3도 100㎏의 하중을 받게 되고 90° 각도에서 A4(방향전환 확보지점)는 141㎏의 하중을 받는다는 걸 알 수 있다.

 


두 개의 시스템에서 100㎏ 하중은 우리가 알고 있는 값이며 하중이 연결된 구성요소는 100을 나타낸다. 나머지 두 구성요소는 길이를 비교해 값을 확인할 수 있다. C3=100이므로 C1과 C2는 C3의 71%다.

 

 

C5=100이므로 C4=100%, C5에 대한 C6=C5의 141%다.

 

주어진 각도의 합력과 결정을 위해 평행사변형을 사용하는 건 좋은 규칙이지만 궁극적으로 현장에 적용할 때 다중 확보 시스템 또는 방향전환 도르래 확보지점에 많이 적용되는 각도는 암기하고 있어야 한다.

 

1. 방향도르래 확보지점 벡터 힘 공식


2. 다중 확보지점 벡터 힘 공식

 

3. 하이라인 벡터 힘 공식

전체 시스템의 절반을 보면 하중의 합력과 시스템의 한쪽 사이에 직각을 만들어 하나의 확보지점에서 장력을 도출해 낼 수 있다.

 


장력과 압축

도르래와 기계적 이점 시스템은 장력과 밀접한 관계가 있다. 실제로 도르래 시스템의 중요한 구성요소다. 도르래 시스템의 장력을 특징짓는 동일한 물리학이 로프 설치와 조작의 모든 단일 동작에도 적용된다. 로프가 연결되고 하중이 실리는 순간 장력이 하나의 요소가 된다.

 

압축력은 인장력의 반대다. 모든 형태의 구조물과 마찬가지로(로프 설치 포함) 하나는 다른 하나가 없으면 존재할 수 없다. 기술 구조에서 압축을 사용하는 가장 좋은 예 중 하나는 삼각대를 높은 확보지점(높은 방향성)으로 사용할 때 확인할 수 있다. 우리의 목적상 매달린 하중에 인장력을 가해야 삼각대가 안정돼 세 다리의 압축이 하중의 인장력에 대항할 수 있다. 두 가지 모두 우리가 작동 가능한 연결 시스템을 갖추기 위해 조화를 이뤄야 한다.

 

장력과 압축 사이에 조화가 존재해야 할 뿐만 아니라 물리학을 조작하는 모든 측면과 동등한 조화가 있어야 한다.

 

장력 또는 인장력은 반대 방향으로 작용하는 포인트 사이에 동일하게 적용되는 당기는 힘 또는 내보내는 힘으로 확보지점에서 하중 또는 확보지점을 잡아당기는 것이다.

 

 

압축력은 고체 물체의 양쪽 끝을 같은 크기로 밀어내는 두 개의 힘으로 정의할 수 있다.


장력이 압축력을 초과하면 시스템 장애가 발생할 수 있다. 확보지점 시스템의 압축 구성 요소가 미끄러지거나, 구부러지거나 부러질 수 있다. 로프가 끊어질 수도 있다.

 

마찰

마찰력은 어떤 움직임에도 반대되는 경향이 있는 두 물체 사이의 저항력이다. 마찰은 정적 마찰(정지 상태에 있는 물체의 움직임에 대항하는 경향이 있는 힘)과 운동 마찰(움직이는 물체를 느리게 하려는 힘) 중 하나로 정의될 수 있다. 로프 시스템 설치와 운영은 움직이거나 움직이지 않도록 하기 위해 장력과 압축을 사용한다. 움직이거나 뭔가를 잡을 때 마찰은 항상 존재하게 된다.

 

내리기 작업 중에는 브레이크 랙과 같은 마찰 장치를 사용해 마찰을 추가하는 게 일반적이다. 내리기 중 메인 라인이 가장자리와 접촉하면 브레이크 랙이 추가된 것과 같다. 로프의 마모나 계속된 가장자리 접촉으로 인한 손상을 제외하면 가장자리 마찰은 유리하게 작용한다.

 

만약 내리기 작업 중 올리기 시스템으로 전환하면 내리기 작업에 유리하게 작용했던 가장자리 접촉으로 인한 마찰이 반대로 당기는 팀과 줄다리기를 하는 상황이 될 거다. 로프를 암석 돌출부 위로 당길 때 당기는 팀은 하중의 약 2~4배 정도의 무게를 증가시킨다는 걸 알아야 한다. 장단점이 존재하지만 가장자리 위에 높은 확보지점 시스템을 사용하는 가장 중요한 이유 중 하나가 마찰이다.

 

구조 작업 중 가장 큰 힘은 정지 상태에서 이동 상태로의 초기 전환 동안이거나 정적 마찰에서 동적 마찰(슬라이딩 마찰)로 전환되는 동안일 거다. 이는 시스템 운영 시작 부분에서 발생하며 매번 팀이 멈추고 재설정한 후 올리기 작업을 시작할 때마다 발생한다는 걸 기억하는 게 중요하다.

 

●어떤 표면과도 과도한 로프 접촉을 피한다. 당기기가 예측되는 경우 높은 확보지점 시스템을 사용한다.

●구조현장에서의 실질적 구조 하중은 추가된 마찰이 포함된 하중이다.

●암석 접촉만으로도 구조 하중을 3배까지 추가할 수 있다.

 

강원소방학교_ 장남중

 

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

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