안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
플라이휠은 모터로 원판을 빠르게 돌려서 그 회전 운동에너지로 에너지를 담아둬요. 꺼낼 때는 같은 모터를 발전기로 돌려 회전을 다시 전기로 바꿔요.
저장되는 에너지는 E = ½Iω²예요. I는 관성 모멘트로 질량이 회전축에서 얼마나 멀리 퍼져 있는지를 나타내고, ω는 회전 각속도예요. 같은 질량이라도 꽉 찬 원판보다 테두리에 질량이 몰린 고리 모양이 I가 두 배 커요.
질량을 두 배로 늘리면 에너지도 두 배가 되지만 회전속도를 두 배로 올리면 네 배가 돼요. 반지름을 키워도 r²에 비례해서 늘어나요. 그래서 요즘 플라이휠은 무겁게 만들기보다 분당 수만 회전까지 빠르게 돌리는 방향으로 설계해요.
그런데 속도를 무한정 올릴 수는 없어요. 빨리 돌수록 테두리를 바깥으로 찢으려는 원심 응력이 커지거든요. 이 한계는 재료의 인장강도를 밀도로 나눈 값으로 정해져요. 무거운 강철보다 가볍고 질긴 탄소섬유 복합재가 더 많은 에너지를 담을 수 있어요.
공기 마찰과 베어링 마찰로도 에너지가 조금씩 새어 나가요. 고속 플라이휠은 진공 용기 안에 넣고 자기 베어링으로 띄워서 돌려요 :)