[이덕환의 과학세상] (214) 자전거의 원리

바퀴 회전축 일정 '관성법칙' 이용

■ 바이오 & 헬스

자전거가 저탄소 녹색성장의 동반자로 떠올랐다. 4대 강을 포함해서 전국에 3000㎞의 자전거 도로가 만들어진다. 자전거 산업도 세계 3위로 육성한다. 우리의 `명품' 자전거가 전 세계를 누비게 된다고 한다. 건강과 환경을 지키면서 경제도 살릴 수 있다는 것이다.

자전거의 기본적인 원리는 간단하다. 17세기 뉴턴에 의해 처음 밝혀진 `관성 법칙'을 이용한다. 움직이지 않는 것이 물체의 본성이라던 아리스토텔레스의 주장과는 정반대로 모든 물체는 힘이 가해지지 않으면 계속해서 같은 방식으로 움직이게 된다는 것이다.

그래서 움직이는 물체는 일정한 속도로 등속운동을 한다. 관성 법칙은 자전거 바퀴에도 적용된다. 바퀴가 회전을 시작하면 회전축이 일정한 방향을 향하려는 경향이 생기게 된다. 움직이는 자전거가 옆으로 쓰러지지 않고 균형을 유지하는 것은 그런 경향 때문이다. 자전거의 바퀴가 크고 속도가 빠를수록 그런 경향이 커진다. 지름이 큰 바퀴가 달린 성인용 자전거가 아동용 두발 자전거보다 타기 쉬운 것도 그런 이유 때문이다.

자전거의 역사는 의외로 짧다. 흔히 1817년 독일의 발명가 칼 드라이스가 만든 `드라이지네'가 최초의 자전거로 알려져 있다. 그러나 오늘날과 같은 모습의 자전거가 완성된 것은 1890년 무렵이었다. 작지만 기막힌 발명들이 필요했기 때문이다.

사람의 힘으로 움직이는 자전거는 무엇보다도 가볍고 튼튼해야 하다. 속이 빈 금속 튜브로 만든 틀이 핵심이다. 대부분의 자전거는 두 개의 삼각형을 마름모꼴로 연결시킨 틀을 이용한다. 요즘에는 금속보다 훨씬 가벼우면서도 강한 탄소 섬유를 이용하기도 한다.

바퀴에도 상당한 기술이 숨어있다. 가벼우면서도 변형이 쉽지 않은 바퀴는 대칭적으로 배열된 가는 철사 살(스포크)의 장력(張力)을 이용한 결과다. 스포츠용 자전거에 사용하는 디스크형 바퀴도 사실은 철사 대신 케블라와 같은 고분자 합성섬유를 스포크로 쓴 것이다.

공기를 주입한 고무 타이어는 스코틀랜드의 존 던롭이 아들의 자전거를 위해 개발한 것이었다. 비포장 도로에서 자전거를 타고나면 두통을 앓았던 아들을 위한 발명이었다. 본래 `타이어'는 나무로 만든 바퀴를 보호하기 위해 사용하던 철제 테를 가리키는 말이었다.

페달의 상하 운동을 뒷바퀴에 전달해서 회전운동으로 바꿔주는 금속 체인을 이용한 동력전달 장치도 중요하다. 금속 체인은 페달과 뒷바퀴에 장착된 서로 다른 크기의 톱니바퀴를 연결시켜 준다. 여러 개의 톱니바퀴를 이용한 자전거용 변속기어도 등장했다.

뒷바퀴의 축에 숨겨져 있는 프리휠과 볼베어링도 자전거의 성능 향상에 중요하다. 뒷바퀴가 페달을 밟는 속도보다 더 빨리 회전할 수 있는 것은 프리휠 덕분이다. 내리막길에서는 페달을 밟지 않아도 자전거가 자유롭게 움직일 수 있다는 뜻이다. 금속으로 만든 볼베어링은 바퀴의 회전에 따른 마찰을 획기적으로 줄여준다.

오늘날 전 세계에 10억 대가 넘는 자전거가 사용되고 있다. 2007년에만 세계적으로 1억3000만 대의 자전거가 생산됐다. 중국와 인도가 각각 60%와 10% 이상의 자전거를 생산한다. 유럽연합, 대만, 인도네시아, 브라질이 그 뒤를 따르고 있다.

자전거가 저렴하고 건강하고 환경친화적인 것은 분명한 사실이다. 그렇다고 자전거가 가장 완벽한 교통수단인 것은 아니다. 특히 우리와 같은 지리적 환경에서는 무작정 자전거 타기를 강요하기도 어렵다. 자전거 도로를 만들고 자전거 산업을 육성하는 것만이 능사는 아니다. 많은 돈을 들여서 만들었던 강남의 자전거 길은 이제 흔적도 찾아볼 수 없다. 철저한 검토와 세심한 계획이 필요하다. 출퇴근에 보조금을 지급하겠다고 나서는 모습이 불안하다.