자이로드롭이 멈추는 방법: 와전류 브레이크

자이로드롭의 모습. 출처: 롯데월드 공식 블로그

자이로드롭은 탑승자들이 탄 기구를 높은 곳으로 끌어올렸다가 떨어뜨려 스릴을 느끼는 꽤 단순한 놀이기구이다.

 

자이로드롭을 타는 사람들 중 일부는 아마 다음과 같은 생각을 했을지도 모르겠다.

혹시 전기가 끊어져 브레이크가 작동하지 않으면 어쩌지?

 

일리있는 걱정이다. 브레이크가 고장이라도 나면 70m에서 자유 낙하한 기구는 그대로 땅에 충돌할 것이다.

간단한 등가속도 운동 공식으로 브레이크 없이 낙하하는 자이로드롭의 최고속도를 계산하면 다음과 같다.

$\mathrm{2(9.81m/s^2)(70m)}=v^2$

$v=\mathrm{37m/s}$

어마어마한 속도다. 초당 37m의 속도로 땅에 부딪히면 끔찍한 일이 일어날 것이다.

따라서 매우 안전하고 신뢰성 높은 브레이크가 필요하다.

---

자이로드롭에서 사용하는 브레이크는 일반적인 마찰식 브레이크와 다르다. 전기도 필요 없고, 작동하기 위해 명령이나 신호도 필요 없다.

자이로드롭에서는 와전류 브레이크라는 것을 쓰는데 이것의 작동원리는 다음과 같다.

자이로드롭에 달린 와전류 브레이크의 대략적인 모습

타워에는 철판이 튀어나와 있고, 기구의 영구자석이 그 철판을 위 그림과 같이 감싸고 있다. 실제 자이로드롭에서는 다음과 같은 모양이다.

실제 자이로드롭에서 철판과 자석

기구가 빠른 속도로 낙하하여 기구의 자석이 타워의 철판을 빠른 속도로 지나치게 되면 철판의 입장에서는 변화하는 자기선속을 느끼게 된다. 이는 전자기 유도에 의해 철판 내부에 흐르는 전류를 만들고. 이 전류는 기구의 자석이 만드는 자기장 속에 있기 때문에 흐르는 전류가 자기장 속에서 받는 힘, 즉 로런츠힘을 받는다.

이 힘은 전류가 흐르는 타워에 가해지지만 타워는 지면에 단단히 고정되어 있기 때문에 기구만 로런츠힘의 반작용에 의해 위로 힘을 받아 정지하게 된다.

실제 철판에 작용하는 자기력과 와전류를 나타낸 그림

위 그림에서 A구역은 화면으로 들어가는 자기장이 있었다가 사라졌다. 전자기 유도는 자기선의 변화를 없애려는 방향으로 전류를 만들기 때문에 화면으로 들어가는 자기장을 만드는 방향의 전류가 철판에 유도된다.

 

B구역에서는 자기장의 변화가 없으므로 전류도 유도되지 않는다.

 

C구역에서는 자기장이 없었다가 들어가는 방향으로 생긴다. 따라서 화면을 나오는 자기장으로 자기장 변화를 없에려 하기 때문에 화면을 나오는 방향의 자기장을 만드는 전류가 유도된다.

 

이렇게 유도된 전류는 자석에 일부 걸치는데 따라서 전류가 자기장 속에 놓이게 되어 힘을 받는다. 이 힘은 타워를 누르는 방향으로 작용되는데, 타워는 지면에 단단히 박혀있기 때문에 타워는 움직이지 않고 대신 이에 대한 반작용으로 기구가 위쪽 방향의 힘을 받는다. 이때 사라진 기구의 운동에너지는 열에너지로 바뀐다.

 

이 메커니즘은 전자석등 인위적인 현상이 아니라 영구자석과 철판의 물리법칙에 따른 필연적인 현상이라 정전이 되더라도 브레이크는 이상이 없다.

 

한편 왜 올라갈 때는 와전류 제동이 되지 않느냐고 물어보면 올라갈 때도 제동이 되는 것이 맞다. 하지만 떨어질 때에 비해 기구의 속도가 느리기 때문에 제동의 효과가 크지 않으며 자이로드롭이 올라가는 것을 보면 제동장치가 있는 곳까지는 천천히 올라가다가 이후에 갑자기 빨라지는 것을 볼 수 있다.

 

---

와전류 브레이크는 자이로드롭 외 다른 곳에서도 자주 쓰인다.

고속철도, 롤러코스터, 낚싯대 등이 감속을 목적으로 와전류 브레이크를 사용한다.

 

와전류 브레이크는 마찰식 브레이크에 비해 여러 장점이 있다.

• 브레이크 장치의 마모가 적다.
• 소음이 적다. (자이로드롭이 제동 될 큰 소리가 나는 것은 기구 아래에 급격히 형성된 고기압 때문이다.)