넘어지지 않는 자전거 두 바퀴의 원리

EBS '다큐프라임 - 원더풀 사이언스'

두 바퀴의 과학, 자전거

빠르게 달리면 달릴수록 더 안정한 자전거의 과학적 원리

자전거 경주장, 벨로드롬의 과학

방송 : 7월 24일(목) 밤 11시 10분 ~ 12시

문의 : 김병수 PD (010-3332-8384)

 

고유가로 자전거가 각광받고 있다. 인류의 기술 개발 역사상 가장 멋진 발명품으로 꼽히는 자전거는 단 두 개의 바퀴로 굴러다니면서 세상 곳곳을 누빈다. 게다가 친환경적이기까지 하다.

남녀노소 모두에게 사랑받는 자전거. EBS '다큐프라임-원더풀 사이언스’는 일상에서 흔하게 볼 수 있는 자전거에 숨겨진 과학, 설계 등 자전거의 진화가 어떻게 이뤄졌는지를 살펴본다.

1. 멈추지 않고 달리는 자전거 바퀴의 원리

우리가 자전거를 타고 달리기 시작하면 바퀴는 넘어지지 않고 신나게 굴러간다. 모든 물체는 주위에서 힘을 가하지 않으면 원래 운동 상태를 유지하려는 성질을 갖고 있다. 이것이 바로 관성법칙이다. 자전거의 바퀴는 회전운동을 하는데, 회전운동 속에도 관성법칙이 적용된다. 바로 이것을 각운동량 보존법칙이라고 부른다. 속도가 일정하게 유지되고 일정한 방향으로 운동하는 자전거 바퀴의 원리는 피겨스케이팅이나 팽이, 헤드스핀에서도 만나볼 수 있다. 속도가 빠르게 돌면 돌수록 넘어지지 않고 잘 돌아가는 자전거 바퀴의 과학적 원리를 알아본다.

자전거의 역사

자전거는 약 200년 전에 최초로 만들어졌다. 최초의 자전거는 나무로 만들어진 것인데, 더 강한 자전거를 원하는 사람들에 의해서 금속, 철 재질로 자전거를 만들기 시작하였다. 최근에는 비철 금속 티타늄, 카본재질로도 만들어 자전거는 더 가벼워지고 있다.

1860년대 앞바퀴 페달이 달린 '벨로시페드', 1970년대 앞바퀴가 큰 '오디너리', 1880년대 다이아몬드 프레임에 체인으로 뒷바퀴를 굴리는 '세이프티' 등 현재의 안전하고 타기 편안한 자전거가 되기까지의 역사를 살펴본다.

자전거의 구조

우리에게 친숙한 자전거는 어떤 구조로 이루어져있을까? 자전거는 크게 보면 4가지로 구분된다. 부품과 부품을 연결하고 지지해주는 프레임, 발에서 만들어진 동력을 전달하는 구동부분, 자전거의 방향을 전환하는 조향부분, 자전거를 멈출 수 있는 제동부분으로 구분된다. 각 부분이 어떻게 만들어지고 이루어지는지와 각각이 자전거에서 담당하는 역할에 대해 알아본다.

자전거의 종류

어디에서 타느냐에 따라 도로에서 타는 도로용 자전거와 트랙용 자전거로 나뉜다. 자전거 경기장, 벨로드롬에서 타게 되는 트랙용 자전거는 기어와 브레이크가 존재하지 않고 가벼운 소재인 카본재질로 만들어진다. MTB는 험한 산악지대를 질주할 때 발생하는 충격을 흡수 할 수 있도록 서스펜션이 장착이 된다. 또 흔히 묘기 자전거로 알려져 있는 BMX도 있다.

타는 곳의 지면에 따라 자전거 바퀴는 달라진다. 지면의 특성에 맞게 자전거를 선택해서 타면 보다 빠르고, 안전하게 달릴 수 있다. 가벼운 휠은 가속력이 좋아 언덕 올라가는 지형에 사용되고, 무거운 휠은 회전관성력이 무게에 비례해 일정한 속도를 유지시켜주기 때문에 평지에서 많이 사용된다. 지면에 따른 자전거의 선택과 그 특징, 그리고 원리를 알아본다.

  

자전거 경주장, 벨로드롬의 과학

벨로드롬은 주로를 비탈지게 만든 사이클 전용 경기장이다. 피스타는 길이 333.3m, 폭 15.8m, 경사도는 직선 부분이 4도 가장 높은 곡선 부분은 34도로 만들어진다. 경사도를 만들어주는 이유는 경주할 때 선수들이 엄청난 속도로 달리게 되기 때문에 자전거가 원심력에 의해 밖으로 튕겨나가는 것을 막기 위해서이다. 또한 지붕의 철물구조를 보면 철골 트러스로 서로의 인장과 압축응력으로 약 3천 톤이 넘는 거대한 무게를 지탱한다. 자전거가 달리는 벨로드롬 안에 숨겨진 과학 원리를 파헤쳐본다.