벡터 기계적 확대율

장력을 가진 로프의 수직면으로 누르는 입력 힘은 로프 양쪽 끝에 그 힘을 집중하게 된다. 확보지점 사이의 로프 중간을 잡고 수평 방향으로 당기거나 밀면 180°에서 120° 사이 각도에서 기계적 확대율이 생긴다.

 

로프가 120°를 형성할 만큼 충분히 멀리 밀렸을 때 기계적 확대율은 더 만들어지지 않는다. 120°보다 작은 각도는 기계적 확대율 손해를 가져온다. 백터 기계적 확대율은 확보 시스템이 급작스럽게 잠겼거나 가장자리에서의 짧은 내리기나 올리기 작업에 실용적으로 적용할 수 있다.

 

▲ 180°~120° 기계적 확대율을 만든다.

직접ㆍ간접 제동 도르래 시스템

 

ㆍ직접 제동 : 제동 프루직은 첫 번째 도르래에서 하중을 받는다. 하중이 상단에 도달할 때까지 여러 번 재설정 할 수 있는 도르래 시스템. 

 

ㆍ간접 제동 : 도르래 시스템의 당기는 동작(위 또는 아래)에서 매우 신속하게 반응하나 재설정할 수 없기 때문에 도르래 시스템의 일부로 본다.

 

비작동 도르래 시스템

한 번에 장력을 가하도록 설계한다(카라비너만 도르래 기능으로 사용할 수 있다). 제동 프루직은 한 번에 여러 로프로 장력을 줄 수 있도록 당기는 로프 상에 있다. 후방 연결 확보지점과 확보지점 장비 조작 등 두 지점 사이에 강하고 높은 장력 연결부를 만들어내기 위해 사용한다.

 

 

ㆍ간접 도르래 시스템 : 하중을 올리거나 내리기 위해 메인 로프에 연결한 두 번째 도르래 시스템.

 

ㆍ직접 도르래 시스템 : 로프가 하중이나 도르래 시스템을 올리거나 내리는 시스템이 하나이며 동일하다.

 

 

방향 변경ㆍ방향 전환 도르래

ㆍ방향 변경 : 당기는 사람에게 가장 가까운 확보지점의 도르래. 방향 변경은 시스템에 기계적 이점이 생기지 않는다.

 

ㆍ방향 전환 : 도르래 시스템과 올리는 하중 사이의 도르래. 낮은 방향과 높은 방향 모두 공통적이다. 방향 변경과 혼동해서는 안 된다.

 

 

시스템에 가해지는 잠재적 힘 계산하기

 

왼쪽 그림에서 효율이 85%인 도르래를 사용한 실제 복합 도르래 시스템은 6.6:1의 효율이 발생한다. 구조 하중(붉은색 삼각형)이 2kN일 경우 당기는 팀이 올리기 작업을 시작했을 때 당기는 팀(손 위치)은 실질적으로 힘이 얼마나 필요한가?

 

1A(파란색)와 2A(붉은색) 확보지점에는 각각 힘이 어느 정도 발생하는가? 구조대원이라면 이런 물음에 답할 수 있어야 한다. 당기는 대원을 추가할 건지, 기계적 확대율을 높일지, 확보지점을 더 강하게 보강해야 하는지 현장에서 판단해야 하기 때문이다.

 

현장에서 당기는 팀이 기계적 확대율 올리기 시스템을 할 때 악천후나 일몰, 시야 확보 어려움 등 문제가 발생할 수 있다. 이때 하중 무게가 각 지점에 실리는 힘의 결정요인을 알 수 없는 상황이 발생하곤 한다. 만약 막히거나 껴서 하중이 움직이지 못한다면 당기는 팀이 가하는 힘에 따라 시스템 각 부분의 받는 힘은 달라진다.

 

한 사람의 당기는 힘이 0.73kN이고 세 명이 당기고 있다면 시스템은 2.2kN의 힘으로 당기는 결과가 발생한다. 올리기 작업 시 껴서 움직이지 않는데도 계속해서 당긴다면 1A, 2A 확보지점에는 얼마의 힘이 발생하고 걸린 로프에 발생하는 힘이 얼마인지 예측할 수 있어야 한다.

 

각 지점에서 받는 힘을 T-방법으로 계산하면 구조팀이 얼마나 강하게 당기는지에 대한 수치를 구할 수 있다. 개인의 힘, 끼고 있는 장갑, 발이 표면에 얼마나 잘 붙어있는가와 같은 영향들이 구조팀의 당기는 능력에 영향을 준다. 특히 로프 클램프 장비를 사용해 당기기 작업을 할 때 가장 큰 영향을 준다. 

 

세 명의 구조팀이 당기는 평균적인 힘을 단위 장력 1로 두고 T-방법을 사용해 시스템에 가해지는 잠재적 힘을 산정할 수 있다. 이 힘은 구조팀이 시스템에 가하는 지속적인 힘이 아니다.

 

당기는 작업에 문제가 생긴 것을 알아채고 문제 원인을 찾기 위해 작업을 중지할 때 순간적으로 증가시키는 힘이라는 것을 명심해야 한다. 훈련되지 않은 구조팀은 그들의 행위가 초래할 수 있는 치명적인 결과에 대해 알지 못한 채 그저 계속 더 세게 당기기만 할 것이다(<119플러스> 8월호 안전을 위해 고려해야 할 기준-2. 안전계수의 기준 참조). 

 

기계적 확대율 시스템 고려사항 

ㆍ기계적 확대율이 높아질 때 도르래를 추가하면 시스템 마찰력이 증가하고 이론상 기계적 확대율과 실제 기계적 확대율 차이 또한 커진다.

 

ㆍ하중을 올려야 하는 길이만큼 시스템을 통해 당겨야 하는 로프의 양 또한 증가한다. 3:1 기계적 확대율의 경우 하중을 30㎝ 올리기 위해선 시스템을 통해 로프를 90㎝ 당겨야 한다. 단순 시스템과 복합 시스템의 경우 로프 길이가 기계적 확대율에 비례하나 복잡 시스템은 그렇지 않다. 

 

ㆍ복합 시스템과 복잡 시스템에 연결된 시스템들은 다른 속도로 충돌한다. 이는 추가로 로프가 필요하고 올리는 길이가 같더라도 더 자주 재설정해야 한다.

 

ㆍ기계적 확대율 시스템은 당기는 팀의 힘을 효과적으로 더 강하게 만들면서 하중의 무게감도 덜어주지만 요구되는 힘의 변화, 특히 들것의 움직임을 쉽게 감지하지 못한다.

 

ㆍ제동 장치를 확보지점에 연결하기 위해 해제 가능한 매듭을 사용한다면 제동에 장력을 풀 수 있다. 올리기 시스템에서 내리기 시스템으로 전환해 로프를 내려야 할 때마다 필요하다. 

 

ㆍ만약 확보자 힘이 라인을 느슨한 부분이 없도록 할 만큼 세지 않다면 확보라인에 기계적 확대율 시스템을 사용할 수 있다. 이렇게 하면 팽팽한 확보를 사용하게 되지만 작업이나 시스템 운영 전체가 느려지게 된다. 3:1 시스템으로 전환해야 할 때 확보라인을 올리기 메인라인으로 전환할 수도 있다.

 

ㆍ당기기 팀은 너무 세게 당기지 않도록 기계적 확대율 시스템에서 증대된 힘에 주의할 필요가 있다. 로프를 손으로만 당기지 않고 등강기 등의 장비로 체중을 실어 당긴다면 추가된 힘으로 인해 로프가 절단될 가능성이 생긴다. 이것이 기계적 확대율 도르래를 로프에 연결할 때는 프루직 히치를 사용하라고 강하게 권하는 이유다. 

 

ㆍ알맞은 직경의 코드를 사용한다면 과부하가 걸렸을 때 프루직 히치가 미끄러져 움직일 것이다. 지름이 너무 작으면 프루직 코드가 꽉 잡아 고정된 후 끊어질 수 있다. 당기는 데 쓰는 힘이 세졌다는 걸 알아차렸다면 그때마다 작업을 멈추고 왜 그런지 원인을 찾아야 한다. 아마 하중을 올리는 중 어딘가에 걸려 움직이지 않는 것일 가능성이 크다. 알아채지 못하고 계속 당기기만 한다면 시스템에 치명적인 오류가 생길 수 있다. 

 

ㆍ기계적 확대율을 높이거나 당기기 팀에 인원을 추가하는 것보단 마찰력을 줄이는 게 더 좋다. 메인라인을 당기는 추가 인원은 로프와 장비, 확보지점에 가해지는 하중을 더 증가시킨다. 마찰력을 줄임으로써 장비와 확보지점에 가해지는 힘을 줄이게 된다. 모서리 쪽 로프가 꺾이는 곳에 모서리 롤러 또는 모서리 보호대를 덧대거나 방향 전환도르래를 사용해 로프를 모서리와 떨어뜨려 고정한다. 로프가 도르래를 통과할 때 로프가 굽어지는 정도를 최소화한다. 

 

ㆍ로프 길이가 허락되는 만큼 시스템 작업공간을 크게 만든다. 기계적 확대율 도르래를 확보지점과 더 멀리 떨어진 상태에서 당길수록 시스템을 멈추고 재설정 해야 하는 일이 더 적어진다. 그 결과 시간이 덜 소요되고 부드러운 올리기 작업이 진행된다. 도르래 효율을 최대로 하기 위해 로프가 기계적 확대율 도르래를 가능한 한 평행하게 들어갔다 나오는 상태가 되도록 유지해야 한다.

 

강원소방학교_ 장남중

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 2월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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