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두근두근, 두근두근, 두근두근….
이게 무슨 소리일까요? 명예기자 정종희 친구의 심장이 두근거리는 소리예요. 종희는 지금 태어나서 처음으로 자전거 타기에 도전하고 있거든요. ‘어린이과학동아’ 친구들 중에는 자전거를 잘 타는 친구도 많을 거예요. 하지만 종희처럼 아직 못 배운 친구도 있을 거예요.
그렇다고 언제까지나 자전거를 멀리할 수는 없는 법! 요즘은 자전거가 오염물질이나 탄소를 만들지 않는 청정 교통수단이라 인기도 좋거든요. 아, 드디어 종희가 안장 위에 올랐습니다! 이제 땅을 딛고 선 발을 떼고 힘차게 페달을 밟을 차례입니다. 페달을…, 아, 조심…!
내겐 너무 먼 두발자전거
저런 저런, 처음 자전거를 배우는 친구들이 다 그렇듯이 종희도 자전거 위에 오르려다 넘어질 뻔 했네요.
자전거는 받침대를 세우지 않으면 곧 쓰러지기 때문에 자전거를 못 타는 사람에게는 불안하고 타는 데 힘이 많이 드는 교통 수단으로 느껴질 수 있어요. 편하게 자동차를 타면 쉽고 빠르게 갈 곳을 굳이 위험하게 자전거를 타고 가야 하나 생각될 때가 있거든요.
하지만 이런 생각은 자전거를 잘 모르기 때문이랍니다.
자전거, 이래서 좀….
불안해 보여요!
바퀴가 두 개뿐이라 제대로 서지도 못하잖아요. 바퀴가 네 개인 자동차도 가끔 사고가 나는데 자전거는 얼마나 위험하겠어요?
탈 곳이 없어요!
자동차는 쌩쌩~, 거리는 사람들로 바글바글~. 자전거를 타려고 해도 도무지 탈 곳이 없어요. 어디 자전거만 다닐 수 있는 길은 없나요?
너무 힘들어요!
자동차는 가만 있어도 빨리 목적지까지 데려다 주는데 자전거는 발로 굴러야 해서 힘들어요. 비 오는 날이나 언덕을 오를 때면 더 쉽게 지쳐요.
구식이잖아요!
똑같이 바퀴가 두 개라도 오토바이는 저절로 움직이잖아요? 자전거는 아주 원시적인 교통 수단인 것 같아요.
아하! 역시 자전거에 대해 의심이 많군요! 하지만 자전거는 타는 법만 익히면 세상 어느 교통수단보다 안전하고 빠르며, 효율적인 탈것이에요. 오염물질을 만들지 않아 환경은 물론 건강에도 좋지요. 무엇보다 스스로의 힘으로 시원한 바람을 가르는 자전거, 안 타면 아쉽지 않겠어요? 그럼 차근차근 자전거에 대해 알아보도록 하겠습니다.
도전❶
자전거의 모양을 익히자!
끼리리릭~! 그럼 여기서 시간을 30분 전으로 되돌려 보겠습니다. 종희가 이 곳 부천 자전거문화센터에 도착한 때로요. 여기에서 종희는 자전거지도사 선생님을 만나 타는 법을 배우기로 했어요. 하지만 그 전에 먼저 자전거의 종류와 구조를 알아보기로 했지요. 적을 알고 나를 알아야 싸움에서 이길 수 있듯, 자전거도 알아야 잘 탈 수 있는 것 아니겠어요?
자전거는 말을 본떠서 만들었다?
최초의 자전거는 말을 대신할 교통수단으로 발명됐기 때문에 말과 비슷하게 생겼다. 1810년 독일에서 만들어진 ‘드라이지네’가 그것으로, 페달 없이 양쪽 발로 땅을 박차며 이동했다. 자세는 좀 이상하지만 걸을 때보다 두 배 정도 빠르게 이동할 수 있다
쌍둥이처럼 닮은 앞바퀴와 뒷바퀴의 비밀!
1860년대에 유행한 ‘오디너리’라는 자전거는 앞바퀴가 뒷바퀴보다 세 배 이상 컸다. 페달이 앞바퀴에 직접 연결돼 있어서 앞바퀴가 클수록 페달을 한 번 돌릴 때 나아가는 거리가 길어지기 때문이다. 실제로 오디너리는 페달을 한 번 돌리면 3.6m나 앞으로 나아갈 수 있었다. 하지만 한쪽 바퀴가 너무 크면 균형 잡기가 힘들어 오늘날의 자전거는 대부분 바퀴 크기가 같다.
톱니바퀴 크기로 속도를 바꾸는 변속기
크기가 다른 톱니바퀴 여러 개로 구성돼 있어 체인이 어느 톱니바퀴에 걸리는지에 따라 바퀴가 도는 속도가 달라지게 돼 있다. 큰 톱니바퀴에 걸리면 힘은 많이 들지만 페달을 한 번만 돌려도 바퀴가 빨리 나아간다. 반대로 작은 톱니바퀴를 쓰면 속도는 느리지만 힘이 덜 들어 언덕을 오르기 좋다.
자전거의 상징 페달!
페달은 1830년대에야 처음 발명됐는데 지금과 원리가 달랐다. 프랑스에서 만들어진 ‘벨로시페드’에는 긴 막대기에 페달이 매달려 있는데, 이것을 앞뒤로 흔들어 바퀴를 굴렸다. 페달의 흔들림은 ‘크랭크축’이라는 긴 막대기를 통해 직선운동으로 바뀌어 뒷바퀴에 전달되고, 바퀴에서 다시 원운동으로 바뀌었다. 이것은 오늘날 자동차 바퀴를 움직이는 원리와 같다.
가볍고 튼튼한 차체
가벼우면서도 튼튼해야 하기 때문에 두께가 약 1.2~1.8㎜인 금속 튜브 형태를 하고 있다. 재료로 알루미늄이나 스틸 합금을 주로 쓰지만, 경주용 자전거에는 더 가벼운 티타늄 합금을 쓰기도 한다. 최근에는 탄소섬유나 크롬-몰리브덴 합금도 사용한다
바퀴살
가는 알루미늄 선을 여러 개 써서 바퀴살을 만든 ‘스포크’ 방식과, ‘케블라’라는 고분자 합성섬유로 옆 면을 막아 레코드판처럼 보이는 ‘디스크’
방식이 있다. 가느다란 스포크는 바퀴의 균형을 잡아 주는 역할을 하고, 무게는 ‘림’이라고 불리는 바퀴의 금속 테가 지탱한다.
도전❷
균형을 잡아 보자
자전거가 발달한 과정을 보면서 자전거의 구조를 익힌 종희는 자신만만한 표정으로 이렇게 말했어요.
“하하하…. 자전거가 생각보다 정교하다는 점은 인정하겠어요. 하지만 그래 봤자 바퀴 두 개와 페달, 체인, 그리고 변속기가 전부 잖아요? 자전거에 달린 장치가 어떤 기능을 하는지 다 알았으니 타는 건 식은 죽 먹기겠죠!”
종희는 이 말과 함께 안장 위에 훌쩍 올라 탔어요. 그리곤 힘차게 페달을 밟았죠. …결과요? ‘꽈당~!’ 하는 큰 소리와 함께 넘어지고 말았지요.
자전거를 이루는 장치를 이해했다고 해서 자전거를 잘 탈 수 있는 것은 아니에요. 자전거가 어떻게 균형을 잡고 움직일 수 있는지를 알아야 하거든요. 자전거와 관련한 몇 가지 물리 법칙을 알아봐야 하는 이유가 여기에 있어요.
넘어지려는 방향으로 손잡이를 틀어라! - 원심력
자전거를 타다 보면 옆으로 넘어질 것처럼 비틀거릴 때가 있다. 이럴 때는 손잡이를 넘어지려는 방향으로 틀면 바로 일어설 수 가 있다. 예를 들어 자전거가 왼쪽으로 기울어지면 손잡이를 왼쪽으로 돌리는 식이다. 그러면 순간 자전거가 왼쪽으로 돌면서 오른쪽으로 원심력이 발생해 자전거를 일으켜 세워 줘 다시 균형을 찾을 수 있다.
바퀴가 두 개? 그래도 안전해! - 관성
바퀴가 두 개밖에 안 되는 자전거가 쓰러지지 않고 달릴 수 있는 것은 관성의 법칙 덕분이다. 자전거의 바퀴는 일단 구르기 시작하면 외부에서 다른 힘을 가하지 않는 한 같은 속도, 같은 방향으로 계속 가려는 성질이 있다. 자전거뿐 아니라 타이어나 굴렁쇠도 일단 구르기 시작하면 잘 쓰러지지 않고 굴러간다.
공학자와의 인터뷰 - 자전거 속에 숨은 과학!
자전거에는 또 어떤 과학이 숨어 있을까요? 자전거를 직접 설계하고 있는 코렉스스포츠 개발팀의 정동석 엔지니어를 만나 보겠습니다.
얼마나 다양한 자전거가 있나요?
자전거는 나이나 타는 목적, 재료 등에 따라 여러 종류가 있고, 가격에 따라서도 천차만별이에요. 산악용인 MTB, 경주용인 레이싱, 바퀴가 작은 미니벨로, 접는 자전거인 폴더 등이 요즘 인기예요.
산악용 자전거와 경주용 자전거는 타이어 크기도 다르네요?
맞아요. 경주용 자전거는 땅과의 마찰이 적을수록 속도가 잘 나오기 때문에 바퀴의 타이어를 얇고 가늘게 만들어요. 산을 타고 거칠게 내려오는 일이 많은 산악용 자전거는 충격을 줄이는 게 더 중요하기 때문에 타이어를 얇게 만들 필요가 없지요. 이처럼 작지만 자전거의 목적이나 종류에 영향을 미치는 중요한 기술들이 많아요. 자전거는 아주 정교하게 만들어진 기계 과학의 결정체랍니다.
자전거를 설계할 때마다 그런 복잡한 지식을 다 고려하시나요?
물론이에요. 부품도 중요하지만 차체는 더 중요해요. 보통 새로운 자전거를 개발하면 디자인부터 시작하는데, 디자인이 조금만 새로워져도 차체 구석구석에 가해지는 힘이 달라지기 때문에 모든 힘 계산을 새로 해야 한답니다. 예쁜 자전거가 한 대 완성되려면 우리 설계공학자들의 노력이 많이 필요하지요.
어린이용 자전거를 개발할 때 특별히 더 고려하시는 점이 있나요?
당연히 안전이에요. 차체 자체는 크게 다르지 않지만, 손잡이를 더 폭신하게 만들거나 다칠 염려가 적은 새로운 안장을 쓰도록 하고 있어요. 하나 더! 어린이들이 좋아할 만한 새로운 색깔이나 디자인도 빼놓을 순 없죠.
도전❸
페달을 밟아 보자
다시 한 번 도전! 종희는 조심스럽게 페달에 발을 올려 놓습니다. 관성 때문에 넘어지지 않고 앞으로 나아갈 수 있다는 믿음을 가지고 타니까 아까보다는 훨씬 자신이 있는 것 같아요. 그리고 넘어질 것 같으면 방향을 살짝 그쪽으로 틀기만 하면…. 네, 바로 그거예요! 성공이에요! 그렇게 쭉 나아가면 되는 거예요….
아…, 이제 브레이크, 브레이크!
…이번엔 울타리에 부딪힌 불쌍한 종희. 그렇지만 몇 m라도 자전거를 타는 데 성공했으니 기분만큼은 최고겠죠?
자전거는 효율 높은 교통 수단!
두 발로 직접 페달을 밟아야 하기 때문에 흔히 자전거는 힘이 많이 들 것이라고 생각한다. 하지만 자전거는 다른 교통수단보다 에너지는 조금 들고 이동거리는 긴 효율적인 교통 수단이다. 미국 오스틴의 텍사스주립대학교의 에드워드 코일 박사의 연구에 따르면, 몸무게가 70㎏인 사람이 자전거를 타고 시속 16㎞로 1시간을 갈 때 드는 열량은 같은 거리를 걷거나 천천히 뛰어서 갈 때의 4분의 1도 안 되는 260kcal이다. 속도를 3배 높여도 같은 거리를 달릴 때의 절반밖에 에너지가 들지 않는다.
자전거로 다이어트!
거리를 기준으로 계산하면 자전거는 걸을 때보다 에너지가 적게 드는 교통수단이다. 하지만 거리가 아닌 시간을 기준으로 계산하면 이야기는 달라진다. 격렬한 운동인 수영 자유형을 할 때와 비슷한 열량을 소비하기 때문이다.
몸무게 70㎏인 어른이 1시간 동안 시속 25㎞로 자전거를 타면 대략 450kcal의 열량이 소비된다. 이것은 평균 360~500kcal를 소비하는 수영
자유형과 비슷한 정도로, 자전거타기가 훌륭한 다이어트 운동이 될 수 있음을 보여 준다. 더구나 자전거는 페달을 부드럽게 회전시켜 운동하기 때문에 달릴 때와 달리 무릎 관절에 부담을 주지도 않는다.
자전거를 타면 하늘이 맑아져요
자전거는 효율이 높을 뿐 아니라 화석연료를 쓰지 않아 매연과 탄소를 배출하지 않는 친환경 교통수단이다. 환경 전문가들은 대기오염 걱정이 없고 탄소배출량이 적은‘ 생태도시 ’가 되려면 전체 교통 수단 중에서 자전거가 차지하는 비율이 최소 10~20%는 되어야 한다고 주장한다. 실제로 ‘자전거 천국’이라고 불리는 독일의 도시 뮌스터는 자전거 이용 비율이 40%에 이르는데, 현재 우리나라의 자전거 이용 비율은 1.2%, 가장 높은 도시도 7% 수준에 불과해 자전거 이용을 늘리기 위한 노력이 필요한 실정이다.
도전❹
자전거 도로로 출발~!
이제 자전거를 조금 탈 수 있게 된 종희! 공원에 마련된 자전거 전용도로를 달려 보기로 했어요.
“아빠, 엄마는 자전거를 타면 교통사고가 날까 봐 걱정이 많으세요. 사고 걱정이 없는 자전거 도로가 많이 생기면 좋겠어요.”
그래서 종희는 자전거 전용도로를 직접 조사해 보기로 했답니다.
완벽한 자전거 전용도로는 불가능해!
자전거 전용도로는 찻길과 보행로가 생긴 뒤에 건설되는 경우가 많다. 따라서 중간에 찻길이 지나가는 경우가 많아 자전거 전용도로로서의 기능을 거의 못하고 있다. 또 도시의 전체 도로 중 70~80%는 폭이 6~8m에 불과한 좁은 도로다. 선진국에서는 자전거 전용도로를 낼 때 폭이 적어도 2.5m가 돼야 한다고 정하고 있는데, 좁은 도로가 많은 도시에 자전거 전용도로를 내기는 불가능하다.
도시의 속도를 자전거에 맞추자!
환경 교통 전문가들이 새로 연구하고 있는 자전거 도로는 자전거와 자동차가 분리된 전용도로가 아니라 함께 달리는 공용도로다. 이 도로는 ‘보행자전거 우선 도로’라고 불리는데, 이름 그대로 자동차보다는 자전거에 우선권이 있다. 그래서 자전거는 이 도로를 마음껏 달리지만 자동차는 자전거를 피해 천천히 달려야만 한다.
교통공학자들의 연구에 따르면 시내 구간에서 자동차가 시속 20㎞ 이하로 달리면 보행자가 차에 치여도 살 확률이 90% 이상이지만, 시속 40㎞로 달릴 경우 10%대로 뚝 떨어진다. 그래서 보행자전거 우선도로에서는 자전거의 안전을 위해 자동차가 시속 20~30㎞이하로 달리도록 돼 있다.
세계의 자전거 도로는 어떤 모습일까?
❶ 자전거 전용도로인 ‘사이클 트랙’(미국 뉴욕). 가로수나 자전거 주차장 등으로 자전거도로가 확실히 구분돼 있다.
❷ 자전거 차선이 표시된 교차로(독일 뮌스터). 자전거도로를 빨간색으로 확실히 구분해 찻길에 의해 끊기지 않게 되어 있다.
❸ 보행자전거 우선도로(프랑스 파리). 자전거가 우선인 공용 도로로, 자동차는 시속 30㎞ 이하로만 달려야 한다.
도전❺
자전거는 지금도 진화 중!
쪼르르~, 탁! 쪼르르~, 탁! 무슨 소리일까요? 맞아요. 아직 씽씽 달리지 못하는 종희가 페달을 구르다 발로 탁 멈추고, 다시 페달을 구르다 멈추는 소리지요. 겨우 자전거를 탈 수 있게 된 종희지만 아직 씽씽 마음껏 달리지는 못하는군요. 그래도 상관 없어요. 이만큼 달리게 된 게 어디예요? 그런데 어디선가 들리는 요상한 모터음! 그리고 빠른 속도로 다가오는 이상한 자전거! 그 정체는…?
자전거의 미래, 전기자전거!
달려온 자전거는 요즘 미래의 자전거 중 하나로 꼽히는 전기자전거! 자전거의 가장 중요한 특징인 바퀴 두 개와 페달, 심지어 체인까지 모두 갖추고 있지만 사람의 발 외에 또 하나의 동력원인 전기 모터를 갖추고 있다. 오토바이와 비슷해 보이지만 휘발유를 쓰지 않아 오염이 없고, 페달만으로도 움직일 수 있다.
전기자전거의 구조
마지막 도전
이런 이런, 아직 자전거가 익숙하지 않은 종희! 보다 못해 지도사 선생님께서 다시 기초부터 차근차근 가르쳐 주시기 시작했어요. 특별 훈련의 성과가 있어야 할 텐데….
❶ 자전거 끌기 : 초보자는 자전거에서 내려서 끄는 연습부터 해야 한다. 차도에서 사고를 당하지 않으려면 자전거를 타고 내릴 때나 끌고 갈 때 항상 자전거의 오른쪽에 서야 한다.
❷ 서 있는 자전거에서 페달 구르기 : 멈춰 둔 자전거에서 페달만 구르는 연습을 한다. 페달을 돌리는 동작을 익히고 자전거에 대한 두려움을 줄여 준다.
❸ 두 발로 땅 딛고 타기 : 최초의 자전거 ‘드라이지네’를 탈 때처럼 두 발로 땅을 차며 이동해 본다. 균형을 잡게 되면 한 발을 페달에 올리고 나머지 발로 땅을 찬다.
❹ 뒤에서 잡아 주기 : 양 발로 페달을 돌리며 달린다. 부모님이나 선생님이 뒤에서 균형을 잡도록 도와 준다.
아빠와 지도사 선생님의 도움으로 4번 단계까지 온 종희! 그리고 어느 순간, 뒤에서 균형을 잡아 주던 아빠는 가만히 자전거에서 손을 놓았습니다.
1m, 2m, 3m,…, 10m, 11m,…. 종희는 한참을 달리다 자신이 혼자 자전거를 타고 있다는 사실을 깨달았지요. 아직은 불안한 표정이지만, 조금만 더 연습하면 안전하고 능숙하게 자전거를 탈 수 있을 거예요.
환경에도 좋고 건강에도 좋고, 자신감까지 선물해 주는 자전거. 아직 타 보지 못한 친구는 이번 기회에 한번 도전해 보면 어떨까요?
이게 무슨 소리일까요? 명예기자 정종희 친구의 심장이 두근거리는 소리예요. 종희는 지금 태어나서 처음으로 자전거 타기에 도전하고 있거든요. ‘어린이과학동아’ 친구들 중에는 자전거를 잘 타는 친구도 많을 거예요. 하지만 종희처럼 아직 못 배운 친구도 있을 거예요.
그렇다고 언제까지나 자전거를 멀리할 수는 없는 법! 요즘은 자전거가 오염물질이나 탄소를 만들지 않는 청정 교통수단이라 인기도 좋거든요. 아, 드디어 종희가 안장 위에 올랐습니다! 이제 땅을 딛고 선 발을 떼고 힘차게 페달을 밟을 차례입니다. 페달을…, 아, 조심…!
내겐 너무 먼 두발자전거
저런 저런, 처음 자전거를 배우는 친구들이 다 그렇듯이 종희도 자전거 위에 오르려다 넘어질 뻔 했네요.
자전거는 받침대를 세우지 않으면 곧 쓰러지기 때문에 자전거를 못 타는 사람에게는 불안하고 타는 데 힘이 많이 드는 교통 수단으로 느껴질 수 있어요. 편하게 자동차를 타면 쉽고 빠르게 갈 곳을 굳이 위험하게 자전거를 타고 가야 하나 생각될 때가 있거든요.
하지만 이런 생각은 자전거를 잘 모르기 때문이랍니다.
자전거, 이래서 좀….
불안해 보여요!
바퀴가 두 개뿐이라 제대로 서지도 못하잖아요. 바퀴가 네 개인 자동차도 가끔 사고가 나는데 자전거는 얼마나 위험하겠어요?
탈 곳이 없어요!
자동차는 쌩쌩~, 거리는 사람들로 바글바글~. 자전거를 타려고 해도 도무지 탈 곳이 없어요. 어디 자전거만 다닐 수 있는 길은 없나요?
너무 힘들어요!
자동차는 가만 있어도 빨리 목적지까지 데려다 주는데 자전거는 발로 굴러야 해서 힘들어요. 비 오는 날이나 언덕을 오를 때면 더 쉽게 지쳐요.
구식이잖아요!
똑같이 바퀴가 두 개라도 오토바이는 저절로 움직이잖아요? 자전거는 아주 원시적인 교통 수단인 것 같아요.
아하! 역시 자전거에 대해 의심이 많군요! 하지만 자전거는 타는 법만 익히면 세상 어느 교통수단보다 안전하고 빠르며, 효율적인 탈것이에요. 오염물질을 만들지 않아 환경은 물론 건강에도 좋지요. 무엇보다 스스로의 힘으로 시원한 바람을 가르는 자전거, 안 타면 아쉽지 않겠어요? 그럼 차근차근 자전거에 대해 알아보도록 하겠습니다.
도전❶
자전거의 모양을 익히자!
끼리리릭~! 그럼 여기서 시간을 30분 전으로 되돌려 보겠습니다. 종희가 이 곳 부천 자전거문화센터에 도착한 때로요. 여기에서 종희는 자전거지도사 선생님을 만나 타는 법을 배우기로 했어요. 하지만 그 전에 먼저 자전거의 종류와 구조를 알아보기로 했지요. 적을 알고 나를 알아야 싸움에서 이길 수 있듯, 자전거도 알아야 잘 탈 수 있는 것 아니겠어요?
자전거는 말을 본떠서 만들었다?
최초의 자전거는 말을 대신할 교통수단으로 발명됐기 때문에 말과 비슷하게 생겼다. 1810년 독일에서 만들어진 ‘드라이지네’가 그것으로, 페달 없이 양쪽 발로 땅을 박차며 이동했다. 자세는 좀 이상하지만 걸을 때보다 두 배 정도 빠르게 이동할 수 있다
쌍둥이처럼 닮은 앞바퀴와 뒷바퀴의 비밀!
1860년대에 유행한 ‘오디너리’라는 자전거는 앞바퀴가 뒷바퀴보다 세 배 이상 컸다. 페달이 앞바퀴에 직접 연결돼 있어서 앞바퀴가 클수록 페달을 한 번 돌릴 때 나아가는 거리가 길어지기 때문이다. 실제로 오디너리는 페달을 한 번 돌리면 3.6m나 앞으로 나아갈 수 있었다. 하지만 한쪽 바퀴가 너무 크면 균형 잡기가 힘들어 오늘날의 자전거는 대부분 바퀴 크기가 같다.
톱니바퀴 크기로 속도를 바꾸는 변속기
크기가 다른 톱니바퀴 여러 개로 구성돼 있어 체인이 어느 톱니바퀴에 걸리는지에 따라 바퀴가 도는 속도가 달라지게 돼 있다. 큰 톱니바퀴에 걸리면 힘은 많이 들지만 페달을 한 번만 돌려도 바퀴가 빨리 나아간다. 반대로 작은 톱니바퀴를 쓰면 속도는 느리지만 힘이 덜 들어 언덕을 오르기 좋다.
자전거의 상징 페달!
페달은 1830년대에야 처음 발명됐는데 지금과 원리가 달랐다. 프랑스에서 만들어진 ‘벨로시페드’에는 긴 막대기에 페달이 매달려 있는데, 이것을 앞뒤로 흔들어 바퀴를 굴렸다. 페달의 흔들림은 ‘크랭크축’이라는 긴 막대기를 통해 직선운동으로 바뀌어 뒷바퀴에 전달되고, 바퀴에서 다시 원운동으로 바뀌었다. 이것은 오늘날 자동차 바퀴를 움직이는 원리와 같다.
가볍고 튼튼한 차체
가벼우면서도 튼튼해야 하기 때문에 두께가 약 1.2~1.8㎜인 금속 튜브 형태를 하고 있다. 재료로 알루미늄이나 스틸 합금을 주로 쓰지만, 경주용 자전거에는 더 가벼운 티타늄 합금을 쓰기도 한다. 최근에는 탄소섬유나 크롬-몰리브덴 합금도 사용한다
바퀴살
가는 알루미늄 선을 여러 개 써서 바퀴살을 만든 ‘스포크’ 방식과, ‘케블라’라는 고분자 합성섬유로 옆 면을 막아 레코드판처럼 보이는 ‘디스크’
방식이 있다. 가느다란 스포크는 바퀴의 균형을 잡아 주는 역할을 하고, 무게는 ‘림’이라고 불리는 바퀴의 금속 테가 지탱한다.
도전❷
균형을 잡아 보자
자전거가 발달한 과정을 보면서 자전거의 구조를 익힌 종희는 자신만만한 표정으로 이렇게 말했어요.
“하하하…. 자전거가 생각보다 정교하다는 점은 인정하겠어요. 하지만 그래 봤자 바퀴 두 개와 페달, 체인, 그리고 변속기가 전부 잖아요? 자전거에 달린 장치가 어떤 기능을 하는지 다 알았으니 타는 건 식은 죽 먹기겠죠!”
종희는 이 말과 함께 안장 위에 훌쩍 올라 탔어요. 그리곤 힘차게 페달을 밟았죠. …결과요? ‘꽈당~!’ 하는 큰 소리와 함께 넘어지고 말았지요.
자전거를 이루는 장치를 이해했다고 해서 자전거를 잘 탈 수 있는 것은 아니에요. 자전거가 어떻게 균형을 잡고 움직일 수 있는지를 알아야 하거든요. 자전거와 관련한 몇 가지 물리 법칙을 알아봐야 하는 이유가 여기에 있어요.
넘어지려는 방향으로 손잡이를 틀어라! - 원심력
자전거를 타다 보면 옆으로 넘어질 것처럼 비틀거릴 때가 있다. 이럴 때는 손잡이를 넘어지려는 방향으로 틀면 바로 일어설 수 가 있다. 예를 들어 자전거가 왼쪽으로 기울어지면 손잡이를 왼쪽으로 돌리는 식이다. 그러면 순간 자전거가 왼쪽으로 돌면서 오른쪽으로 원심력이 발생해 자전거를 일으켜 세워 줘 다시 균형을 찾을 수 있다.
바퀴가 두 개? 그래도 안전해! - 관성
바퀴가 두 개밖에 안 되는 자전거가 쓰러지지 않고 달릴 수 있는 것은 관성의 법칙 덕분이다. 자전거의 바퀴는 일단 구르기 시작하면 외부에서 다른 힘을 가하지 않는 한 같은 속도, 같은 방향으로 계속 가려는 성질이 있다. 자전거뿐 아니라 타이어나 굴렁쇠도 일단 구르기 시작하면 잘 쓰러지지 않고 굴러간다.
공학자와의 인터뷰 - 자전거 속에 숨은 과학!
자전거에는 또 어떤 과학이 숨어 있을까요? 자전거를 직접 설계하고 있는 코렉스스포츠 개발팀의 정동석 엔지니어를 만나 보겠습니다.
얼마나 다양한 자전거가 있나요?
자전거는 나이나 타는 목적, 재료 등에 따라 여러 종류가 있고, 가격에 따라서도 천차만별이에요. 산악용인 MTB, 경주용인 레이싱, 바퀴가 작은 미니벨로, 접는 자전거인 폴더 등이 요즘 인기예요.
산악용 자전거와 경주용 자전거는 타이어 크기도 다르네요?
맞아요. 경주용 자전거는 땅과의 마찰이 적을수록 속도가 잘 나오기 때문에 바퀴의 타이어를 얇고 가늘게 만들어요. 산을 타고 거칠게 내려오는 일이 많은 산악용 자전거는 충격을 줄이는 게 더 중요하기 때문에 타이어를 얇게 만들 필요가 없지요. 이처럼 작지만 자전거의 목적이나 종류에 영향을 미치는 중요한 기술들이 많아요. 자전거는 아주 정교하게 만들어진 기계 과학의 결정체랍니다.
자전거를 설계할 때마다 그런 복잡한 지식을 다 고려하시나요?
물론이에요. 부품도 중요하지만 차체는 더 중요해요. 보통 새로운 자전거를 개발하면 디자인부터 시작하는데, 디자인이 조금만 새로워져도 차체 구석구석에 가해지는 힘이 달라지기 때문에 모든 힘 계산을 새로 해야 한답니다. 예쁜 자전거가 한 대 완성되려면 우리 설계공학자들의 노력이 많이 필요하지요.
어린이용 자전거를 개발할 때 특별히 더 고려하시는 점이 있나요?
당연히 안전이에요. 차체 자체는 크게 다르지 않지만, 손잡이를 더 폭신하게 만들거나 다칠 염려가 적은 새로운 안장을 쓰도록 하고 있어요. 하나 더! 어린이들이 좋아할 만한 새로운 색깔이나 디자인도 빼놓을 순 없죠.
도전❸
페달을 밟아 보자
다시 한 번 도전! 종희는 조심스럽게 페달에 발을 올려 놓습니다. 관성 때문에 넘어지지 않고 앞으로 나아갈 수 있다는 믿음을 가지고 타니까 아까보다는 훨씬 자신이 있는 것 같아요. 그리고 넘어질 것 같으면 방향을 살짝 그쪽으로 틀기만 하면…. 네, 바로 그거예요! 성공이에요! 그렇게 쭉 나아가면 되는 거예요….
아…, 이제 브레이크, 브레이크!
…이번엔 울타리에 부딪힌 불쌍한 종희. 그렇지만 몇 m라도 자전거를 타는 데 성공했으니 기분만큼은 최고겠죠?
자전거는 효율 높은 교통 수단!
두 발로 직접 페달을 밟아야 하기 때문에 흔히 자전거는 힘이 많이 들 것이라고 생각한다. 하지만 자전거는 다른 교통수단보다 에너지는 조금 들고 이동거리는 긴 효율적인 교통 수단이다. 미국 오스틴의 텍사스주립대학교의 에드워드 코일 박사의 연구에 따르면, 몸무게가 70㎏인 사람이 자전거를 타고 시속 16㎞로 1시간을 갈 때 드는 열량은 같은 거리를 걷거나 천천히 뛰어서 갈 때의 4분의 1도 안 되는 260kcal이다. 속도를 3배 높여도 같은 거리를 달릴 때의 절반밖에 에너지가 들지 않는다.
자전거로 다이어트!
거리를 기준으로 계산하면 자전거는 걸을 때보다 에너지가 적게 드는 교통수단이다. 하지만 거리가 아닌 시간을 기준으로 계산하면 이야기는 달라진다. 격렬한 운동인 수영 자유형을 할 때와 비슷한 열량을 소비하기 때문이다.
몸무게 70㎏인 어른이 1시간 동안 시속 25㎞로 자전거를 타면 대략 450kcal의 열량이 소비된다. 이것은 평균 360~500kcal를 소비하는 수영
자유형과 비슷한 정도로, 자전거타기가 훌륭한 다이어트 운동이 될 수 있음을 보여 준다. 더구나 자전거는 페달을 부드럽게 회전시켜 운동하기 때문에 달릴 때와 달리 무릎 관절에 부담을 주지도 않는다.
자전거를 타면 하늘이 맑아져요
자전거는 효율이 높을 뿐 아니라 화석연료를 쓰지 않아 매연과 탄소를 배출하지 않는 친환경 교통수단이다. 환경 전문가들은 대기오염 걱정이 없고 탄소배출량이 적은‘ 생태도시 ’가 되려면 전체 교통 수단 중에서 자전거가 차지하는 비율이 최소 10~20%는 되어야 한다고 주장한다. 실제로 ‘자전거 천국’이라고 불리는 독일의 도시 뮌스터는 자전거 이용 비율이 40%에 이르는데, 현재 우리나라의 자전거 이용 비율은 1.2%, 가장 높은 도시도 7% 수준에 불과해 자전거 이용을 늘리기 위한 노력이 필요한 실정이다.
도전❹
자전거 도로로 출발~!
이제 자전거를 조금 탈 수 있게 된 종희! 공원에 마련된 자전거 전용도로를 달려 보기로 했어요.
“아빠, 엄마는 자전거를 타면 교통사고가 날까 봐 걱정이 많으세요. 사고 걱정이 없는 자전거 도로가 많이 생기면 좋겠어요.”
그래서 종희는 자전거 전용도로를 직접 조사해 보기로 했답니다.
완벽한 자전거 전용도로는 불가능해!
자전거 전용도로는 찻길과 보행로가 생긴 뒤에 건설되는 경우가 많다. 따라서 중간에 찻길이 지나가는 경우가 많아 자전거 전용도로로서의 기능을 거의 못하고 있다. 또 도시의 전체 도로 중 70~80%는 폭이 6~8m에 불과한 좁은 도로다. 선진국에서는 자전거 전용도로를 낼 때 폭이 적어도 2.5m가 돼야 한다고 정하고 있는데, 좁은 도로가 많은 도시에 자전거 전용도로를 내기는 불가능하다.
도시의 속도를 자전거에 맞추자!
환경 교통 전문가들이 새로 연구하고 있는 자전거 도로는 자전거와 자동차가 분리된 전용도로가 아니라 함께 달리는 공용도로다. 이 도로는 ‘보행자전거 우선 도로’라고 불리는데, 이름 그대로 자동차보다는 자전거에 우선권이 있다. 그래서 자전거는 이 도로를 마음껏 달리지만 자동차는 자전거를 피해 천천히 달려야만 한다.
교통공학자들의 연구에 따르면 시내 구간에서 자동차가 시속 20㎞ 이하로 달리면 보행자가 차에 치여도 살 확률이 90% 이상이지만, 시속 40㎞로 달릴 경우 10%대로 뚝 떨어진다. 그래서 보행자전거 우선도로에서는 자전거의 안전을 위해 자동차가 시속 20~30㎞이하로 달리도록 돼 있다.
세계의 자전거 도로는 어떤 모습일까?
❷ 자전거 차선이 표시된 교차로(독일 뮌스터). 자전거도로를 빨간색으로 확실히 구분해 찻길에 의해 끊기지 않게 되어 있다.
❸ 보행자전거 우선도로(프랑스 파리). 자전거가 우선인 공용 도로로, 자동차는 시속 30㎞ 이하로만 달려야 한다.
도전❺
자전거는 지금도 진화 중!
쪼르르~, 탁! 쪼르르~, 탁! 무슨 소리일까요? 맞아요. 아직 씽씽 달리지 못하는 종희가 페달을 구르다 발로 탁 멈추고, 다시 페달을 구르다 멈추는 소리지요. 겨우 자전거를 탈 수 있게 된 종희지만 아직 씽씽 마음껏 달리지는 못하는군요. 그래도 상관 없어요. 이만큼 달리게 된 게 어디예요? 그런데 어디선가 들리는 요상한 모터음! 그리고 빠른 속도로 다가오는 이상한 자전거! 그 정체는…?
자전거의 미래, 전기자전거!
달려온 자전거는 요즘 미래의 자전거 중 하나로 꼽히는 전기자전거! 자전거의 가장 중요한 특징인 바퀴 두 개와 페달, 심지어 체인까지 모두 갖추고 있지만 사람의 발 외에 또 하나의 동력원인 전기 모터를 갖추고 있다. 오토바이와 비슷해 보이지만 휘발유를 쓰지 않아 오염이 없고, 페달만으로도 움직일 수 있다.
전기자전거의 구조
마지막 도전
이런 이런, 아직 자전거가 익숙하지 않은 종희! 보다 못해 지도사 선생님께서 다시 기초부터 차근차근 가르쳐 주시기 시작했어요. 특별 훈련의 성과가 있어야 할 텐데….
❶ 자전거 끌기 : 초보자는 자전거에서 내려서 끄는 연습부터 해야 한다. 차도에서 사고를 당하지 않으려면 자전거를 타고 내릴 때나 끌고 갈 때 항상 자전거의 오른쪽에 서야 한다.
❷ 서 있는 자전거에서 페달 구르기 : 멈춰 둔 자전거에서 페달만 구르는 연습을 한다. 페달을 돌리는 동작을 익히고 자전거에 대한 두려움을 줄여 준다.
❸ 두 발로 땅 딛고 타기 : 최초의 자전거 ‘드라이지네’를 탈 때처럼 두 발로 땅을 차며 이동해 본다. 균형을 잡게 되면 한 발을 페달에 올리고 나머지 발로 땅을 찬다.
❹ 뒤에서 잡아 주기 : 양 발로 페달을 돌리며 달린다. 부모님이나 선생님이 뒤에서 균형을 잡도록 도와 준다.
아빠와 지도사 선생님의 도움으로 4번 단계까지 온 종희! 그리고 어느 순간, 뒤에서 균형을 잡아 주던 아빠는 가만히 자전거에서 손을 놓았습니다.
1m, 2m, 3m,…, 10m, 11m,…. 종희는 한참을 달리다 자신이 혼자 자전거를 타고 있다는 사실을 깨달았지요. 아직은 불안한 표정이지만, 조금만 더 연습하면 안전하고 능숙하게 자전거를 탈 수 있을 거예요.
환경에도 좋고 건강에도 좋고, 자신감까지 선물해 주는 자전거. 아직 타 보지 못한 친구는 이번 기회에 한번 도전해 보면 어떨까요?
