공압기술의 이해

우리들이 살고 있는 지구는 공기로 둘러 쌓여 있고, 그 공기중의 산소는 동·식물이 살아가는데 없어서는 안되는 필수 요소이다. 그러면 공기는 어느 정도 있을까.

공기는 해면에서 고도 수십 키로미터까지 있는 것으로 알려져 있다. 체적으로 보면 해수(海水) 보다도 상당히 많은 양이다. 실제로는 공기와 함께 구름 등이 수분과 장소에 따라 공기이외의 가스로 존재하고 있으므로, 이러한 것도 합쳐서 공기라 한다. 그러므로 정확하게 지구는 대기로 둘러 쌓여 있는 것이 된다.

그러면, 왜 대기는 지구에서 분리되지 않을까. 그것은 공기 뿐만 아니라 그 이외의 가스에도 중량이 있기 때문에 인력에 의해 지구 표면에 일정한 두께로 존재하고 있는 것이다. 또, 공기 등의 기체는, 체적을 변화 시키기 쉬운 특징을 갖고 있다. 이것은 풍선 등에서도 확인할 수 있고, [그림 2]와 같은 자동차의 공기흡입과 비슷한 장치라면, 누르는 힘이 강할수록 공기는 압축되고, 힘을 제거하면 원래의 크기로 팽창한다. 이것을 “압축성이 있다”라고 한다.

대기중의 공기는 중량과 압축성이 있기 때문에, 하층은 상층의 공기 중량으로 누르고 있어서, 밀도가 높은 상태로 된다. 그러므로, 해면 근처의 공기가 가장 밀도가 높고, 에베레스트 산의 정상은 비정상적으로 공기가 희박하다.

[그림 2]도 압축하는 만큼 밀도가 높아지지만, 원래의 체적으로 돌아가려는 반발력도 동시에 강하게 된다. 이 반발력을 발생하는 능력은, 일반적으로 밀도가 아닌 압력의 고저로 표시된다. 기체를 압축하면, 밀도가 높아지고 동시에 압력도 높아진다. 압력을 표시하는 단위는 수은을 밀어 올리는 힘인 mmHg나 단위면적에 작용하는 힘의 크기인 MPa로 표시된다.

대기중에서 가장 압력이 높은 해면에서는, 어느 정도의 압력이 걸리는 것일까. 예를들면 이 압력은[그림 3]과 같이 수은주를 760mm의 높이까지 밀어 올리므로 760mmHg로 표시할 수 있고, 또한 1mm2의 면적에서 0.1013N 의 힘이 걸리므로, 0.1013MPa로 표시할 수 있다. 이것은 기상분야에서의 1013mbar와 같다. 이와 같은 압력 중에서 생활하고, 일을 하고 있는 것이다. 이 압력을 “대기압”이라 한다.

대기압까지 압축된 공기는, 우리들 주변에 얼마든지 있는 것이다. 이것을 강제적으로 압축하면 압력은 더욱 높아지고, 그 높아진 압력에서는 힘(에너지)이 얻어진다. 이와 같이 어떤 목적을 위해 대기압보다 압력을 높게 만든 공기를 “공기압”이라 한다.

공기압은 어떻게 사용되고 있을까. 최근 자전거나 자동차의 타이어에 쿠션효과를 발휘하기도 하고, 돔형 구장의 지붕을 들어올리고, 치과에서 공기흡입 하는것을 생각할 수 있다. 또, 실제로 버스나 전차의문 개폐에도 공기압이 이용되고 있고, 문의 개폐시에 들을 수 있는 “쉬-”하는 소리도 공기압이 일을 하고 있는 소리이다.