현대인들이 매일같이 접하지만 그 구조와 원리에 대해선 잘 모르는 것이 승강기(elevater)다. 이에 한국승강기안전관리원은 전시장에 승강기의 역사를 비롯해 승강기의 구조 및 원리 등 다양한 볼거리를 전시, 관람객들에게 산지식의 장으로 활용하고 있다.
승강기엑스포 관계자는 “이번 승강기엑스포는 일반인들에게 승강기의 다양한 역사와 정보를 주는 지식의 장은 물론 대국민 사고예방을 위한 교육의 장이 될 것”이라고 개최 배경을 설명했다.
승강기는 현대인의 일상이 된지 오래다. 그럼에도 불구하고, 승강기가 어떻게 오르고 내리는지에 대한 지식은 전문가가 아니면 알기 힘들다.
복잡한 과학의 원리가 숨어있는 승강기는 회전력, 마찰력, 중력 등의 힘에 의해 움직인다. 그리고 이 힘은 전기를 생산할 수 있다. 즉, 스스로 발전기가 되는 것이다.
전기를 생산하는 승강기는 과연 어떤 원리일까?


승강기는 기중기와 비슷한 원리


18세기 산업혁명과 함께 대형건축물과 대규모 공장 등이 생겨났다. 특히 대양무역의 붐을 타고 커다란 증기선박 건조가 활발해지면서 높은 곳에 위치한 작업장까지 커다란 구조물을 운반하는 일이 많아졌다.
작업자들이 일일이 수작업으로 무거운 물체를 들어올리기 힘들어지면서 승강기는 필수불가결한 도구로 탄생했다. 이후 운반수단으로 거듭난 승강기는 고층건물이 일반화되고 주거환경에 아파트가 도입되면서 주로 인력을 실어 나르는 용도로 쓰이게 됐다.
그렇다면 무거운 물체를 들어 올리는 승강기의 힘은 어디에서 나오는 것일까?
인간은 무거운 물체를 운반하기에 편리한 바퀴를 발명했다. 바퀴는 물건 뿐 아니라 사람을 실어 나르는 데도 최적의 도구가 됐다. 그러나 평지에서 효율적인 운반수단인 바퀴는 높은 곳으로 물건을 들어 올리는 데는 큰 도움이 되지 못했다.
그 해결책으로 물체의 운동방향을 바꿔줄 필요가 있다는 인식하에 나온 것이 바로 도르래다. 바퀴를 높은 곳에 매달고, 여기에 줄을 연결해 무거운 물체에 연결해 당기면 훨씬 덜 힘이 든다는 사실을 알게 됐기 때문이다.
물리학자들은 “사람은 기본적으로 물건을 직접 들어 올리는 것보다 당기는 것이 덜 힘이 든다”고 설명한다. 도르래는 이 원리를 이용한 도구다. 밧줄의 다른 한쪽 끝을 아래로 당기면 당긴 만큼 물체가 들린다. 이 때 당기는 사람의 몸무게가 같이 작용한다.
이 도르래와 추를 사용한 것이 바로 기중기다. 예를 들면, 기중기는 반대쪽에 무거운 평형추가 매달려 있어서 사람이 무거운 물건을 당길 때에 평형추가 내려가면서 훨씬 힘이 덜 든다. 승강기도 비슷한 원리로 이뤄져 있다.


카와 균형추의 작용으로 전기 생산 




건물 한 쪽에 있는 승강통로 맨 꼭대기에 설치된 권상기(Traction Machine) 내부에 있는 도르래에는 양쪽으로 케이블이 걸쳐있다. 한쪽에는 사람들이 타고 내릴 수 있는 부분인 카(Car)가 있고, 다른 한쪽 끝에는 카와 그 안에 탄 사람들의 무게를 지탱하는 균형추(Counter Weight)가 달려있다.
1층에서 승객들이 모두 타면 카는 균형추보다 무거워져 움직이지 않는다. 이 때 권상기에 달린 전동기의 회전력에 의해 도르래가 움직인다. 이 회전력은 도르래와 케이블과 마찰에 의해 마찰력으로 바뀐다. 이 힘으로 카를 들어올린다.
권상기는 카에 탄 승객의 무게만큼만 들어 올려주는데 승강기는 원하는 층에서 균형추와 평형을 이루고, 사람들은 내리고 탈 수 있게 된다. 만약에 카와 균형추 사이에 무게가 맞지 않을 때, 카는 위로 또는 밑으로 상승 및 하강할 수 있는데 정격속도의 1.3배 및 1.4배를 초과하면 자동으로 속도를 맞추는 조속기(Govenor)가 움직여 제동기(Brake)를 작동시킨다.
만약 카에 사람이 타지 않았을 경우, 균형추는 카보다 1.5배 무겁기 때문에 카는 상승한다. 하지만 승객들이 타서 카 내부가 만원이 되면 균형추보다 무거워지기 때문에 중력에 의해 하강하는데 안전을 위해 조속기가 정격속도로 맞춘다.
승강기는 상승 및 하강할 때, 회전력, 마찰력, 중력 등의 3가지 힘이 동시에 어우러지며  전기를 생산한다는 것이 전문가들의 설명이다.
올해 9월 서울시청 엘리베이터에는 행정기관 최초로 엘리베이터 운행 중 발생하는 전기를 회수하는 자가발전설비가 설치됐다.
시청 관계자는 “승강기 자가발전시설은 엘리베이터가 상승하거나, 하강할 때 권상기 모터의 회전력이 발전기로 작동하면서 실시간으로 전기를 생산, 건물의 조명 및 동력 등으로 회수하는 시스템”이라고 설명했다.
즉, 승강기가 만원일 때에는 균형추보다 무거워 중력이 작용, 모터의 기전력을 발생시킨다. 반면에 카가 비어있든지, 만원이 아닐 때에는 균형추보다 가벼워 올라가는 힘이 모터를 회전시켜 기전력을 발생시키는 것.
과거에는 이 전기들이 모두 제동저항기에서 열로 소비됐다. 하지만 지금은 기술의 발전으로 이 소비되는 에너지를 회수할 수 있어 승강기 활용도가 높은 건물에 설치할 경우, 많은 전기를 절약할 수 있다는 것이 관계자의 설명이다.