도르래

도르래(pulley)

도르래(pulley) 또는 활차(滑車)는 홈이 파인 바퀴에 밧줄이나 사슬을 걸어 물건을 움직이는 장치이다. 도르래는 힘의 작용 방향을 바꾸거나 보다 적은 힘으로 물체를 이동시키기 위해 사용되고, 활차라고도 한다.

두레박·기중기 등에 쓰이며 고정 도르래와 움직 도르래가 있다. 고정 도르래는 고정된 축에 홈이 파인 바퀴가 달려 있는 것으로, 바퀴에 걸린 줄에 짐을 묶고 줄의 다른쪽 끝을 잡아당기면 쉽게 들어올릴 수 있다. 힘을 줄여 주는 것과 같은 기계적 이득은 없지만 방향을 바꿀 수는 있다. 움푹 파인 곳에 짐이 있거나 바닥이 미끄러울 때 유용하다. 반면 움직 도르래는 지지대를 통해 힘을 절반으로 줄일 수 있다.

개요

도르래는 바퀴에 줄이나 체인을 걸고 물건을 들어 올리거나 잡아당기는데 사용하는 기구로써, 물리적으로 힘의 작용 방향을 바꾸어 주거나 물체를 적은 힘으로 들어 올리거나 이동하기 위해 고안한 장치이다. 기중기, 엘리베이터 등에 쓰이며 여러 동력전달 장치와 기구에 많이 사용된다.

도르래는 대개 고정 도르래와 움직 도르래, 그리고 이 둘의 형태를 혼합한 복합 도르래로 분류한다. 도르래를 사용한다고 해서 물체를 움직이는데 필요한 전체 일의 크기는 변하지 않으나 움직이는데 필요한 힘의 크기를 줄일 수 있거나 힘과 물체의 이동방향을 바꿀 수 있다는 장점을 가진다. 전체 일의 크기가 변하지 않기 때문에 움직이는데 필요한 힘의 크기가 작아지는 대신에 이동하는데 필요한 거리가 그만큼 늘어난다.

원리

1. 회전하는 바퀴 위의 한 지점의 운동방향은 바퀴의 접선 방향이므로, 도르래 바퀴 위에 로프를 걸치면 힘의 방향을 바꿀 수 있다.

2. 한 물체가 여러개의 로프로 지탱되고 있으면 로프 하나가 지탱하는 무게는 물체 전체 무게를 로프 갯수로 나눈 것과 같다.

3. 이것이 가능한 이유는 물체의 일(W;work)의 총량은 힘(F;Force) 곱하기 변위(S;Displacement)와 같기 때문이다. 즉 같은 일을 적은 힘으로 할 수 있도록 하기 위해 줄과 바퀴를 통해 일을 하는 시간을 늘리는 것이다.

W=FS로 일의 크기를 구할 수 있다.

종류

고정도르래

움직도르래

복합도르래

차동도르래

고정도르래

회전축을 고정시킨 도르래. 힘의 방향을 바꿀 수 있는 도르래이다. 도르래의 회전축은 고정되어 있고 걸친 줄의 한쪽을 당겨서 다른 쪽의 물체를 끌어당기거나 들어 올리는 역할을 한다. 힘의 방향을 바꿀 수 있지만, 하중과 같은 크기의 힘이 필요하다. 100N의 물체를 들어 올리려면 힘 100N이 필요하다. 이런 구조를 채택한 대표적인 물건으로는 대형 깃대와 엘리베이터가 있으며 힘의 이득을 얻을 수 없어 주로 가벼운 물체를 들어올릴 때만 사용하고, 무거운 물체를 들어올릴 때는 움직도르래와 함께 사용한다. 그래도 힘을 중력 방향으로 당길 수 있다는 점 덕에 같은 크기의 힘이어도 일 자체는 좀 수월하다.

움직도르래

회전축이 고정되지 않고 이동하는 도르래. 유동활차(遊動滑車)라고도 한다. 도르래에 걸린 줄의 한쪽을 고정하고 도르래에 움직이려는 물체를 걸어 도르래와 함께 당긴다. 힘의 방향을 바꾸지는 못하지만 절반의 힘으로 하중을 지탱할 수 있다. 이렇게 힘의 이득을 얻을 수 있지만, 물체가 이동하는 거리는 끌어당긴 줄의 길이의 반밖에 되지 않으므로 실제로 일, 에너지의 이득은 없다. 기중기, 엘리베이터 등 많은 경우에 고정도르래와 함께 사용한다. 무게 100N의 물체를 들어 올릴 때, 하나의 움직도르래를 사용하면 50N의 힘만 있어도 된다. 하지만 물체를 1m 움직이기 위해 2m의 줄을 당겨야 하므로 전체적으로 한 일은 100J이 되어 이득을 얻지 않는다.

복합도르래

고정도르래와 움직도르래를 적당히 조합하면 힘이 걸리는 방향을 바꿈과 동시에 힘의 효과를 확대할 수 있다. 이와 같이 고정도르래와 움직도르래를 조합한 도르래를 복합도르래(조합도르래)라고 한다. 이 경우 힘 효과의 확대율은 움직도르래의 수에 비례한다.

차동도르래

지름이 다소 다른 고정도르래 A, B를 같은 축 위에 놓고, 줄을 도르래 A에서 움직도르래 C에 걸고 다시 그것을 다른 고정도르래 B에 건 것을 차동(差動)도르래라고 한다. 줄을 F 방향으로 당기면 고정도르래 B는 하중 W를 달아맨 움직도르래 C를 감아올리고, 고정도르래 A는 반대로 줄을 풀어주기 때문에 양쪽 길이의 차이만큼 하중이 감겨 올라가 힘의 효과는 대단히 커진다. 이 경우 하중과 평형을 이루는 힘 R1을 고정도르래 B의 지름, R2를 고정도르래 A의 지름이라고 하면, 2R1/(R1－R2)가 되어, 2개의 고정도르래 A, B의 지름차가 작을수록 힘의 이용이 크다. 체인블록은 이것을 이용한 것이다.

참고자료

• 〈도르래〉, 《위키백과》
• 〈도르래〉, 《나무위키》
• 〈도르래〉, 《두산백과》
• 〈도르래〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 거중기
• 기중기
• 엘리베이터
• 지렛대
• 쐐기

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