로프 ROPE

 

힘의 단위 N(newton;뉴턴)의 이해

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☆ N은 힘의 단위로 질량의 단위인 kg과는 엄연히 다르다.

1N은 질량이 1kg인 물체에 작용하여 1m/sec²의 가속도를 생기게 하는 힘이다.

이 물체를 가속시키는 힘은 m×a =F 라는 식으로 구한다.

m=물체의 질량(kg) a=가속도m/sec²) F=힘(N)

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∴ 1kg×1m/sec²=1N

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☆ 우리가 가장 익숙하게 느끼는 힘중 하나가 중력이다.

지구는 그 중심으로 질량을 갖는 모든 물체에 9.8m/sec²의 가속도로 잡아당기는 힘이 작용하며 이 중력에 의해서 질량 갖는 모든 물체에는 무게가 있다.

 

 

∴ 1kg(질량)×9.8m/sec²=9.8N(중력) =1kg중(무게)

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☆ 우리는 흔히 몸무게를 “몇kg”등으로 말하는데 정확하게는 몇kg×9.8m/sec²=“몇kg중”으로 말해야되며 이를 다시 중력(힘)으로 표시하면 몇kg×9.8m/sec²="몇N"이 된다

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☆ 60kg중 몸무게를 가진 사람이 로프에 매달려있다면 로프가 받고 있는 힘은 60kg×9.8m/sec²=588N이 된다.

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☆ 어떤 물체의 질량이 1kg이라면 지구에서 작용하는 무게 힘은 1kg*9.8m/sec²=9.8N이 되고 달에서 작용하는 무게힘은 1kg*1.6m/sec²=1.6N으로 약1/6로 줄어든다.

 

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☆ 우리는 힘의 크기를 무게의 크기로 이해하는 것에 익숙하다. 따라서 무게(1kg중)=힘(9.8N)에 의하여 “1N”은 몇 “kg중”인지 환산해보자

 

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∴ N =1kg/9.8 =0.102kg ≒ 0.1kg

 

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☆ 힘의 단위중에는 N(newton;뉴턴)으로 부터

daN(decanewton;데카뉴턴), KN(kilronewton;킬로뉴턴)등이 사용된다.

 

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1000N =100daN =1KN ≒ 100kg

 

 

 

 

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로프의 표준 요구조건(standards requirements)

 

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로프는 크게 다이나믹 로프(dynamic rope), 세미스태틱 로프(semi-static rope) 구분되고, 등반용(clibming)로프는 다이나믹로프가 주종이며 로프웍에 따라 싱글, 더블, 트윈로프로 구분된다. 또한 용도에따라 충격력, 신장률, 중량, 마모성 등을 합리적으로 조합하여 익스피디션, 알파인, 빅월, 스포츠, 인-도어 타입으로 제조되므로 용도에 알맞는 로프를 선택하여 사용해야한다.

 

 

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☆ 싱글로프(둥근원 속에 숫자“1”로 표시, tested as mass;80kg)

 

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·충격력(impact force) : 12KN 미만

·추락저항횟수(number of falls) : 5회 이상

·사용신장률(elongation under 80kg) : 8% 이하

·추락신장률(elongation during 1st fall) : 40% 이하

 

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☆ 더블로프(둥근원 속에 숫자 “1/2”로 표시, tested as mass;55kg)

 

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·충격력(impact force) : 8KN 미만

·추락저항횟수(number of falls) : 5회 이상

·사용신장률(elongation under 80kg) : 10% 이하

·추락신장률(elongation during 1st fall) : 40% 이하

 

 

 

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충격력과 추락저항횟수

 

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국제산악연맹(UIAA)에서는 드롭타워(Drop tower)에서 가장 극단적인 방법으로 모의추락시험을하여 표준 요구조건을 통과한 제품을 승인하고있다.

 

 

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☆ 드롭타워(Drop tower) 구성

 

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·추락물체(tested as) : 80kg(싱글로프), 55kg(더블로프)

·로프길이 : 2.5M(고정부분 포함2.8M)

·추락거리(fall) : 5.0M

·추락계수(fall factor) : 2 (5.0M/2.5M)

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☆ 충격력(impact force) 이란?

 

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일반적으로 고정강도(static strength)의 수치로 잘못 읽고 혼동하는 부분이다.

고정강도는 파괴부하(breaking load)와 같다

로프의 충격력은 추락물체가 정지하는데 필요한 힘으로 이 힘을 받을 때 충격이 발생하고 적을 수록 좋다.

UIAA에서는 다이나믹 로프(dynamic rope)에 대해서는 고정강도를 표준 요구조건으로 규정하고 있지않다. 그러나 충격력과 추락저항횟수를 만족시키려면 최소12KN 이상은 되어야함을 알수있다. 실재로 10.5M/M 싱글로프의 경우 최초 고정강도는 20KN을 상회한다.

세미스태틱 로프(semi-static rope), 카라비너, 볼트, 푸렌드등은 고정강도(파괴부하)를 표준으로 규정한다.

 

 

 

 

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☆ 충격력 12KN 미만을 요구하는 역학적 원리는 무엇인가?

 

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첫째, 우리 인체에 12KN 이상의 충격이 올 경우 로프는 절단되지 않더라도 신체에 심각한 데미지를 받게되어 결국 사망에 이르게 할수 있으며

 

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둘째, 추락자에 12KN의 충격력이 걸린다면 확보자에게도 그 힘의 약 2/3, 즉 8KN이 걸린다. 이 두힘의 합 20KN은 추락자와 확보자 사이의 최종 확보물(볼트,퀵드로,카라비너)이 받는 힘이되고 이들의 고정강도(파괴강도)가 약22KN정도 되므로 그야말로 아슬아슬한 상태가 되는것이다.

 

 

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☆ 충격력은 어떻게 결정 되는가?

 

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예를들어 80Kg의 물체가 5M를 추락 했을 경우 충격력이 얼마인가를 알아내기는 싶지않다. 왜냐하면 그물체가 떨어진 자리가 콘크리트처럼 딱딱한 곳인가 혹은 스폰지처럼 푹신한 장소인가에 따라 달라진다. 같은 이론으로 바닥까지 떨어지지 않더라도 위에서 잡아주는 로프가 하드한가 탄력있는가에 따라 충격력은 달라진다

와이어로프(거의 완전한 static)는 다이나믹 로프보다 같은 굵기에서 고정강도가 몇배 더크다. 하지만 이런 와이어로프를 매고 추락 한다면 충격력은 12KN을 넘어 100KN이 될수도 있다

 

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충격력을 결정하는 요소는 물체의 <질량><속도>그리고<속도가 정지한 시간>이다.

이것을 식으로 나타내면 다음과같다

충격력=질량×(처음속도-나중속도)÷속도가 정지한 시간

 

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F = m(v1-v2) ÷ dt

 

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위 식에 의해 추락 충격력을 줄일수있는 요소를 찾아보자(조건:UIAA 드롭타워)

 

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질량(m)---------80Kg

처음속도(v1)---------?

나중속도(v2)---------0M/sec(여기서는 추락이 완전히 멈춘 상태(zero)를 나타냄)

속도가 정지한 시간(dt)--------?

 

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추락하는 물체는 그 질량과 관계없이 1초에 9.8M/sec씩 속도가 증가하는 등가속 운동을한다. 즉 추락전 속도 0M/sec에서 1초후에 9.8M/sec, 2초후에 19.6M/sec, 3초후에 29.4M/sec...

 

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조건에서 추락거리(fall)가 5M라고 했으니 추락 시간이 1초를 조금 넘는다. 그러므로 그때의 속도는 약10M/sec정도 되고 이것을 처음속도(v1)이 라고하며 로프에 물체가 걸리는 순간의 속도를 말한다.

 

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정밀하게구하는 식 : 속도(v1)의 제곱 = 2×9.8m/sec2×5M (2는 상수)

 

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∴ (v1)2 =98, 제곱을 풀면 9.899... 약10M/sec

 

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이제 남은것은 속도가 정지한 시간(dt)를 구하는 것이다.

이 시간(dt)를 짧게하느냐 길게하느냐에 따라 충격력이 커지거나 작아진다.

 

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80kg×(10m/sec-0m/sec)÷dt < 12KN

0.8KN ÷dt < 12KN

dt > 0.8KN ÷12KN

dt > 0.066

 

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∴ 속도 변화에 걸린 시간(dt)는 0.066초보다 길어야 한다

 

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결국 와이어로프는 이 시간(dt)가 매우 짧다는 것이고 다이나믹 로프는 이보다 길다는 것을 의미한다.

 

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어떤 로프의 고정강도가 20KN이라 했을때 몸무게80Kg(0.8KN)을 갖는 사람이 몇M를 추락(자유낙하)했을 경우 파괴되는가?

결론부터 말하면 UIAA에서 승인한 로프는 추락계수2 이내에서 첫번째 추락이라면 추락거리가 아무리 길어도 이론상 파괴되지 않는다.

즉 로프에 가해지는 충격력이 20KN까지 도달하지 않는다. 그러나 2번, 3번 추락을 거듭할수록 충격흡수율과 고정강도는 점차 줄어 들게 되어 똑같은 추락을 하여도 충격력은 점점 더 커지고 결국 줄어든 고정강도를 넘어 파괴(절단) 되고 만다. 이에 대한 로프의 또 다른 기준은 추락저항횟수가 5회 이상이어야 한다.

우리가 할 수 있는 일은 로프가 노후 될수록 점차 추락계수를 작게 하는 확보시스템을 사용 해야 한다 (바닥에 떨어지는 경우와 비교하여 스폰지의 두께를 늘이는 것과 같다)

 

 

 

 

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☆추락저항횟수(number of falls) 란?

 

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간단히 말해 로프의 충격에 대한 내구성 시험이다.

드롭타워에서 첫번째 추락에서 충격력을 측정하고, 5분의 인터벌로 로프가 파괴(절단)될 때까지 연속하여 추락 시킨다.5회 이상 견디면 합격이다.

대부분의 싱글로프가 직경 9~11mm범위에 있다. 충격력의 수치는 이 직경과 비례하지 않지만 추락저항횟수는 상당히 비례한다. 즉 직경이 굵은 로프일수록 추락에 대한 내구성이

좋다.

 

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신장률(elongation)

 

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☆ 현대의 로프 제조기술은 이 시간을 길게 하는 방법으로 로프를 신장시키는(Extension)방법을쓴다. 그러나 이것도 적정한 범위를 넘어서면 매우 위험하고 사용하기 불편해진다 .

추락 충격력을 줄이기 위해 번지코드처럼 300~400%의 신장을 허락할 수는 없다.

UIAA에서는 첫 번째 추락(1,fall)에서 추락신장률을 40% 이하로 제한하고 있으며 사용신장률과는 기준이 다르다. 사용신장률은 로프의 전 길이에 80kg하중을 걸고 신장된 길이를 측정하는 것이며, 이들은 서로 비례할 수밖에 없기 때문에 대부분 로프의 신장도는 사용신장률(싱글8%이하,더블10%이하)을 갖고 판단한다. 가장 이상적인 로프는 충격력과 신장률 모두 적은 것이나 이는 이율배반적인 성격을 갖는다.

 

 

 

 

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그밖의 성능들

 

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☆ 매듭시험(knotability)

로프 중간에 간단한 매듭(옭매듭)을 하고 그밑에 10kg하중을 걸고 매듭 내부의 공간의 크기를 측정하며, 그 크기는 로프직경의 1.1배 이내여야한다. 통상 0.6~0.7의 범위에 있다

 

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☆ 외피밀림시험(sheath slippage)

UIAA는 1%이하, CE는 2%이하로 규정하고있으나 대부분의 이름있는 로프들은 0%를 실현하고있다.

 

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☆ 예각시험(resistance radius 0.75mm)

UIAA표준 드롭타워 추락시험에서는 로프가 닫는 부분의 반경을 5m/m로한다(카라비너와 같은) 그러나 예각시험은 로프가 카라비너가 아닌 날카로운 암각에 닿았을 경우를 가정한 모서리 반경 0.75m/m에대한 시험이다.

이 시험을 통과한 로프는 별도의 라벨을 부착하고 있다. 그러나 이 시험에 통과한 로프라고 해서 반드시 충격력이나 추락저항횟수에서 우수한 성능을 보이는 것은 아니다.

 

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☆ 내마모성

이시험방법은 잘알지 못하지만 로프의 보빈수(Number of Bobbins)를 보면 어느정도 알수있다. 보빈수는 로프를 짤때 단위면적당 사용되는 극세사(filament)의 숫자로 이해하면 된다. 이 숫자가 적을수록 외피의 내마모성이 좋으나 반대로 로프의 다이나믹성은 떨어진다.따라서 내마모성을 중요시하는 로프는 적은 보빈수(30~40)를 사용하고 다이나믹성(=신장성)을 중요시하는 로프는 많은 보빈수(40~50)를 사용한다

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☆ 로프의 교체주기에 대한 가이드라인을 소개한다. 로프의 상태와 구입시기를 따져보고 신중하게 결정해야 할 것이다.

 

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★격주로 사용 : 4년

★매주 사용 : 2년

★스포츠 클라이밍 : 몇개월 혹은 반년

★다음과 같은 경우는 즉시 교체하는 것이 좋다

·로프가 평편하게 눌린 상태로 있는 경우

·큰 추락을 한 경우 등.