Brake의 습기문제와 렌쯔의 법칙

물리학이라는 학문에는 렌쯔의 법칙이란 녀석이 있다.

중고등학교에서 실제적으로 원리만 알면 되기 때문에 별로 쓰일 일이 없었으므로 물리를 선택과목으로 공부했다고 하더라도 모르는 경우가 많지 않을까 생각한다. 쉽게 이야기해서 렌쯔의 법칙이란 녀석이 유용하게 사용되면서도 시험문제의 답으로는 나오지 않기 때문이다.
(렌즈의 법칙은 어떤 계산을 하기에 앞서서 기본적인 사고를 하는데 사용되는 방법이다.)

렌쯔의 법칙은 어떠한 물리적인 상태가 변화하려고 할 때 그와 관련된 주변 환경은 그 변화를 최소화 하려 한다는 간단한 법칙에 대한 전자기학에서의 부분적인 법칙이다. 이 글을 읽고 계신 분들 중에 화학이나 심리학 같은 공부를 하신 분들이 계신다면 이와 같은 공식이 있음을 아시고 계셨을 것이다. 이름만 다르지 대부분의 학문에는 이와 유사한 공식들이 존재한다.
이 공식의 위력은 실로 대단해서…..
관성의 법칙, 물의 상태변화, 발전기의 원리, 시계의 원리 등 우리가 생각할 수 있는 대부분의 도구에서 쉽게 발견할 수 있다.

자이로드롭이라는 녀석이 놀이공원에 가면 유행이라고 한다. 수십~백 수십 m 상공으로 놀이기구를 끌어올려서 수직 낙하시키는 놀이기구라고 하는데 다행스럽게도(?) 글을 쓰고 있는 나는 그걸 타보지 못했다. 그런데 이 놀이기구를 타는 도중에 브레이크가 고장 나면 어떻게 될까? 아마 브레이크가 고장 나면 놀이기구는 땅으로 곤두박질 칠 것이다. 그렇게 되면 그 안에 타고 있는 사람은 아마 난리 나겠지!!

이러한 위험성이 굉장히 크기 때문에 일반적으로 사용되는 브레이크를 자이로드롭에는 사용할 수 없다. 뿐만 아니라 일반적인 브레이크를 사용하면 부속품을 굉장히 자주 바꿔야 할 것이다.
더군다나 낙하하는 동안의 변화되는 속도를 자연스럽고 자유롭게 통제하기도 쉽지 않을 것이다.
그렇다면 어떻게 자이로드롭을 정지시킬까? 이 원리에 바로 렌쯔의 법칙을 사용한다.
자이로드롭을 정지시킨다는 현상의 요지는 자이로드롭이 갖고 있는 운동에너지와 위치에너지를 어떤 다른 에너지로 방출시키면 될 것이다. 어떻게 하면 가능할까?

자이로드롭의 탑승기구와 놀이기구는 두 가지 장치가 되어있는데, 자석과 코일이다. 자석은 계속해서 N극과 S극이 바뀌도록 설치되어있고, 그 극 바로 옆을 코일들이 지나가도록 제작되어있다. 페러데이의 유도법칙을 알고 있는 사람은 코일에 자석을 통과시키면 어떻게 되는지 잘 알고 있으리라 믿는다. 자석이 코일을 통과하는 동안 코일에 걸리는 자기장은 계속 변화하고, 이 자기장의 변화를 막는 방향으로 코일에 극성이 생긴다. 즉 N극의 자석이 다가올 때는 N극이 코일에 생겨서 N극이 다가오는 것을 막고, N극이 자석에서 멀어지게 되면 S극이 코일에 생겨 N극이 멀어지는 것을 막는다. S극의 경우에도 똑같이 적용할 수 있다. 코일에 생기는 N과 S만 바뀔 뿐이다. 따라서 자이로드롭이 떨어지면 코일은 좋으나 싫으나 N극과 S극의 자석 옆을 스치며 지나갈 수밖에 없다. (반대로 자석이 움직이고 코일이 정지해 있는 것일 수도 있다. 움직임은 상대적인 것이니까….)
코일에 N극과 S극이 형성된다는 이야기는 코일에 전류가 흐른다는 이야기와 같다. 여기까지가 페러데이의 유도법칙이 간단하게 적용되는 것이며, 이 모든 것이 렌쯔의 법칙을 기본을 하여 설명되는 내용이다. 자이로드롭 운영자가 할 일은 코일에 생성된 전류를 다른 곳으로 빼내서 그곳에서 다른 형태의 일(일반적으로는 열)로 바꾸어 기계가 과열되는 것을 막는 것이다.
발전기란 것은 이 때 발생하는 전류를 다른 형태의 에너지로 만들어 없애는 것이 아니고, 우리가 알고 있는 전기에너지로 공급하는 것이 다를 뿐이다.
자이로드롭의 브레이크인 코일과 자석은 직접적인 접촉이 없으므로 반영구적으로 사용할 수 있다. 주의할 점은 코일의 일부라도 훼손되면 전기가 흐를 수가 없고, 코일에 극이 형성될 수 없게 되면서 자이로드롭은 땅으로 그냥 떨어지게 될 것이다. (물론 이런 사태를 방비하기 위해서 코일을 여러 개로 나누어서 한 개가 끊어지더라도 조금 더 빨리 떨어지는 수준으로 만들었을 것이다. → 한 개라도 끊어지면 운행을 중지하고 얼른 고쳐야 한다.)


그렇다면 한 가지 더 생각해 보자.
자이로드롭의 자석과 코일 사이에 습기가 차면 어떻게 될까? 다행스럽게도 큰 문제가 발생하지 않는다. 물이 자석과 코일의 사이에서 약간의 전류의 생성에 영향을 줄 수는 있지만 그 정도로 영향을 받지는 않는다. (또 그 정도는 흐를 수 있는 전류의 크기를 조절함으로서 쉽게 제어가 된다. 물론 말을 “쉽게” 라고 써 놨지만 현실은 그리 간단하지만은 않다. ^^;)

우리가 일반적으로 자동차를 운전할 때 비가 오면 가끔 브레이크를 밟아주라고 이야기한다. 그 이유는 물이 튀어 브레이크 패드 사이에 들어갈 수 있기 때문이다. 물은 마찰력상수에 큰 영향을 주어서 브레이크가 쉽게 작동하지 못하게 하는 원인이 된다. 급제동을 해야 할 필요성이 있을 때 브레이크를 걸었는데 브레이크가 미끄러진다면 있으나 마나 한 것일 테니까….
결국 가끔 브레이크를 밟아주는 이유는 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꿔서 브레이크 패드 사이에 낀 물을 증발시켜주기 위한 방법이다.

그렇다면 물이 차도 큰 영향을 받지 않는 코일과 자석을 자동차의 브레이크로 사용하면 안 될까?
아마 사용하면 비오는 날에도 물 때문에 브레이크가 미끌어지는 곤란을 겪는 일은 현저히 줄어들 것이라고 생각한다. 그렇지만 안타깝게도 자석과 코일로 되어있는 브레이크는 가격이 만만찮다. (사용되는 자동차가 있는지는 잘 모르겠지만…) 현재 자석과 코일이 브레이크로 사용되는 기기는 전동차 같은 고가의 장비들이다. 자동차에 장착하기에는 장비가 너무 비싸기 때문이다.

아마 아무런 자동차에나 설치하여 사용할 정도로 저가에 효율적인 자동차용 브레이크를 만들 수 있다면 발명특허가 가능할지도 모르겠다.

글 쓴 날 : 2006.01.19

2 thoughts on “Brake의 습기문제와 렌쯔의 법칙

  1. 하이브리드 자동차는 브레이크의 제동 과정에서 발생하는 에너지를 회수해서 배터리에 다시 저장한다고 합니다. 아마 여기에 사용되기 시작하고 있겠네요.

    1. 아마도 그렇게 될듯 싶어요.
      반대로 이야기하자면… 엔진 등 비싼 부품이 빠진 값을 그런 것으로 다시 끌어올린다는…ㅋㅋ
      (그래도 전반적으로 가격이 하향되면서 성능이 향상되는 것은 맞겠죠. ^^)

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