산악 열차 (feat. 열차를 움직이는 원리)

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산악 열차는 스위스의 아프트가 최초로 제안한 교통수단입니다. 경량 전철의 한 종류로서 산악지형에 대량 수송이 가능한 열차를 이용해 사람들을 실어 나르자고 제안했습니다. 그런데 문제는 경사가 심한 산악지형에서는 열차의 바퀴가 공회전하며 앞으로 나가질 못한다는 것이었습니다. 왜 공회전이 발생하는지 알려면 열차가 움직이는 기본 원리에 대해 알아야 합니다. 열차를 움직이는 기본 원리와 산악 열차에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

산악 열차

열차를 움직이는 원리

열차를 움직이는 기본 원리를 알게 되면 산악 열차에 대한 이해가 쉽게 될 것으로 생각됩니다. 우리가 흔히 알고 있는 열차는 차륜과 궤도가 모두 철로 이루어져 있습니다. 열차의 견인력은 전동기에서 발생해 차축을 통해 차륜으로 전달됩니다. 그렇게 차륜이 회전하면서 회전력으로 열차를 움직이게 되는데, 운동은 뉴턴의 작용 반작용의 법칙에서처럼 상호적으로 존재해야 발생합니다. 여기서는 바퀴의 회전력만큼 궤도가 열차를 단단히 잡아주는 힘이 있어야 앞으로 움직일 수 있습니다. '궤도가 열차를 단단히 잡아주는 힘' 이것을 우리는 점착력이라고 말합니다. 

 

이 점착력은 열차의 무게가 받는 중력의 힘에 비례합니다. 점착력은 열차의 하중에 점착계수라는 상수를 곱한 값입니다. 점착력에 대한 자세한 설명은 다음에 하겠지만, 간단히 말해 열차를 움직이려면 큰 견인력이 필요하고 그 견인력만큼 점착력이 있어야 한다는 것입니다. 점착력을 높이려면 열차를 무겁게 하거나, 점착계수를 높이면 되는 것입니다. 점착 계수를 높이는 방법으로는 차륜과 궤도 사이에 모래를 뿌리는 방법 등이 있습니다.

 

구배가 심하면 더 큰 견인력이 필요하지만, 점착력이 그만큼 되지 않아 산악열차를 설치하기가 어려운 것입니다. 열차 바퀴의 회전력으로 움직이지 않고, 줄로 잡아당기거나 톱니바퀴를 이용하거나 하는 방법을 쓰는 것입니다. 

 

산악 열차의 정의

산악 열차란 문자 그대로 산악 지형에 열차를 운행하는 것을 말합니다. 급경사이기 때문에 점착식 철도로는 운행이 어렵고(국내 선로 한계는 1km당 35m 높이차로 제한) 다른 다양한 방법으로 운영하고 있습니다. 우리나라에서는 영동선에 스위치백 형태의 산악열차가 운행되었으나 2012년 폐지되었습니다. 국토의 75%가 산악 지형으로 이루어진 국내에 아직 없다는 게 아이러니하지만, 이에 대한 연구 개발을 계속 이루어지고 있습니다.

 

산악 열차 종류

산악 열차는 열차를 견인하는 방식에 따라 분류합니다. 대표적인 방식은 다음과 같습니다.

 

1) 강삭 철도

강삭 철도는 열차를 줄다리기하듯 끌어당겨 움직이는 것을 말합니다. 강삭이란 여러 가닥의 강철을 꼬아서 만든 줄을 말합니다. 보통 산악지대에 있는 관광지에 설치되고, 아무리 경사가 심한 곳이라도 설치할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만, 케이블로 견인하는 데 한계가 있어 수송력에 제한이 있고 속도 또한 낮다는 단점이 있습니다. 

 

2) 치상 궤도 방식

치상 궤도 방식은 톱니바퀴를 이용해 열차를 움직입니다. 대부분의 산악열차에 사용되고 있습니다. 궤도 중앙에 톱니바퀴 선로를 설치하고, 열차 하단 중앙에 이에 맞물리는 장비를 부설하여 오르내리는 방식입니다. 스위스의 융프라우, 일본의 이카와 선 등 많은 나라에서 사용 중이지만, 우리나라에는 사용되고 있지 않습니다. 

 

3) 스위치백, 루프식 철도

스위치백이나 루프식 철도는 경사가 낮은 곳으로 우회해 돌아가는 열차입니다. 스위치백 방식은 지그재그로 선로를 설치해 전진, 후진을 반복하며 올라갑니다. 루프식에 비해 설비가 단순하지만, 후진 운전 시 기관사가 뒤쪽에도 탑승해야 하는 어려움이 있습니다. 우리나라에서는 영동선의 흥전역-나한정역 구간이 국내 유일 스위치백 구간으로 운행되었지만, 아쉽게도 2012년에 폐지되어 이용할 수 없게 되었습니다. 

 

루프식 철도는 높은 산을 빙 둘러 올라가는 것을 말합니다. 루프식 철도는 후진할 필요가 없기 때문에 고속으로 주행할 수 있다는 장점이 있습니다. 

 

산악 열차 사례

해외 산악 열차 사례를 살펴보겠습니다.

 

1) 스위스 융프라우 산악 열차

산악 열차 하면 많은 사람이 떠오르는 장면일 것입니다. 바로 스위스의 융프라우 산악열차입니다. 1896년 공사를 시작한 융프라우 산악 열차는 무려 16년의 공사를 마치고 개통됩니다. 해발 3,454m 위에 설치된 이 선로는 톱니바퀴를 이용한 치상 궤도 방식으로 설치됩니다. 암벽을 뚫어 만든 터널 2개로 이루어진 선로는 그 길이가 약 9km에 달합니다. 

 

2) 일본 하코네 산악 열차

일본의 하코네 산악열차는 해발 800m에 설치된 총길이 8.9km의 열차입니다. 1919년 개통된 후 많은 사람이 이용하고 있으며 스위치백 운행 방식입니다. 스위치백은 총 3번 이루어지며, 최고 경사가 무려 80 퍼밀에 이릅니다. 겨울 산을 달리는 풍경이 유명하고, 도쿄에서도 가까워 인기가 많은 산악 열차 중 하나입니다.