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자동차 안전에서 친환경자동차 개발까지 책임진다!

자동차는 들어가는 부품만 해도 2만 개가 넘고, 그 중 하나라도 문제가 생기면 사람의 생명을 위협할 수 있는 아주 정밀한 기계다. 또 자동차는 화학 반응에서 얻은 에너지를 이용해 움직인다. 아무리 생각해 봐도 수학은 없을 것 같은데, 도대체 어디에 필요하다는 걸까? 독자기자들은 수학을 활용해 친환경자동차 기술을 개발하고 있는 자동차안전연구원 박용성 박사님을 찾아가 보았다.

이상훈 : 박사님, 자동차와 수학은 아무리 생각해도 관련이 없어 보여요. 도대체 어디에 수학이 쓰인다는 건가요?

박용성 박사 : 하하! 언뜻 보기에는 그렇죠. 자동차를 움직이게 하는 것만 생각하면 맞는 말이에요. 하지만 자동차가 더욱 안전하게 움직이도록 하려면 수학이 꼭 필요하죠.
다들 잘 몰랐겠지만, 자동차는 안전운행을 하기 위해 각 부위가 서로 신호를 주고받아요. 이 신호는 전기 신호를 0과 1로 이루어진 2진수 신호로 바꾼 것인데, 달리는 동안 어느 부분에 이상이 생기면 이상 신호를 보내서 자동으로 위험에서 벗어나도록 하죠. 예를 들어 ABS(Auto Break System)라는 장치는 눈이나 비가 올 때 자동차가 달리는 속도와 바퀴 속도를 비교하다가, 바퀴가 미끄러져 둘 사이에 차이가 생기면 바로 속도를 줄여 줘요. ABS를 비롯한 많은 장치들이 2진수 신호를 주고받으면서 자동차가 안전하게 운행할 수 있도록 돕는답니다.

오정환 : 아~, 그렇군요! 그럼 이곳은 자동차의 안전을 연구하는 연구소인가요? 자동차안전연구원이라고 하니까 자동차 충돌 실험 하는 게 생각나요~.

박용성 박사 : 텔레비전에서 자동차 속에 사람 모양의 인형을 앉혀 놓고 자동차를 충돌시키면서 실험하는 장면을 본 적 있죠? 그걸 ‘자동차 충돌안전성 시험’이라고 해요. 우리나라에서 팔리는 모든 자동차를 모아 사고가 났을 때 어느 부분이 약한지, 운전자를 얼마나 보호할 수 있는지를 평가하는 거예요. 충돌 결과에는 자동차가 부서진 정도와, ‘더미’라고 부르는 인형이 부위별로 받은 충격량 등이 담겨 있죠. 그 결과를 이용해 더 안전한 차를 만든답니다.
우리 연구원에서는 자동차의 안전성에서부터 전기자동차 같은 친환경자동차까지 자동차에 대한 모든 것을 연구하고 있어요. 자동차안전연구원은 수학을 비롯해 모든 과학적인 방법을 동원해서 자동차를 연구하는 곳이랍니다.


친환경자동차의 핵심인 연비, 수학으로 푼다!

여러 분야 중에서 중에서 박용성 박사님은 친환경자동차 기술을 연구하고 있다. 최근에는 자동차의 성능을 평가할 때 쓰는 연비 계산식에서 잘못된 부분을 수정한 박용성 박사님의 연구 결과가 언론의 주목을 받기도 했다. 친환경자동차 연구에서는 수학이 어떻게 쓰이는 걸까?

"연비는 자동차가 1$ℓ$의 연료로 얼마나 먼 거리를 달릴 수 있는지를 나타내는 것으로, 자동차 엔진의 친환경 성능을 평가하는 중요한 지표예요. 되도록 적은 양의 연료를 써서 먼 거리를 가도록 만들어야 환경에 피해가 덜 가잖아요. 그래서 자동차 회사는 차를 만들 때 연비를 계산해서 소비자들이 알 수 있도록 표시해야 하지요.
자동차의 연비를 계산하려면 먼저 정해진 거리만큼 달리는 동안 나오는 배기가스량을 측정해야 해요. 배기가스는 연료가 타면서 나오는 성분으로, 이산화탄소와 산소, 질소 등으로 이루어져 있어요. 그런데 이때 연료에 들어 있는 탄소 원자가 그대로 배기가스로 배출되기 때문에, 탄소 성분이 얼마나 배출됐는지 측정하면 연료를 얼마나 사용했는지 계산할 수 있답니다. 즉, 자동차가 연료 1$ℓ$로 얼마나 달렸는지 알 수 있는 거죠."


★ 자동차 연비, 어떻게 계산할까?

예를 들어 1km를 달리는 동안 탄소 200g이 배기가스 속에 녹아 나왔다고 해 보자. 그러면 1km를 달리는 동안 탄소 200g을 사용한 셈이다. 이때 연료 1ℓ에 탄소가 얼마나 들어 있는지를 알면, 간단한 계산으로 사용한 연료량과 연비를 알 수 있다. 박용성 박사님은 우리나라에서 유통되는 연료 1ℓ에 포함된 탄소함량을 모두 측정해서 이 값이 잘못됐다는 걸 알아내고, 더 정확하게 연비를 계산할 수 있도록 수정했다.

200g : xℓ = 2211g★ : 1ℓ
x ≒ 0.09
연비 ≒ 1km/0.09ℓ  ≒ 11.1km/ℓ

★2211g : 박용성 박사님이 새로 밝힌 휘발유 1ℓ에 들어 있는 탄소 질량으로, 지금까지는 17년 전 미국 휘발유 기준인 2346g을 사용했기 때문에 실제보다 연비가 더 좋은 것으로 나왔다.


자동차가 내뿜는 온실가스를 줄여라!

우리나라 정부는 새로 수정한 연구 결과를 바탕으로 내년부터는 자동차 연비를 평가하는 계산식을 바꾸기로 했다. 박용성 박사님은 연비와 관련된 연구 외에도 자동차와 비행기 등의 교통수단이 배출하는 이산화탄소를 관리하는 통합 시스템을 만들기도 했다. 그런데 이렇게 연비 계산식을 다시 만들고, 이산화탄소 배출량까지 관리하는 이유는 뭘까?

"세계 여러 나라가 친환경자동차 기술을 개발하고, 이산화탄소 배출량을 관리하는 이유는 바로 지구 온난화 때문이에요. 지구를 점점 덥게 만드는 온실가스의 약 14%가 교통 분야에서 나오는데, 자동차 배기가스에 포함된 온실가스의 97%가 이산화탄소거든요. 그렇다고 자동차를 없앨 수는 없겠죠? 그래서 자동차안전연구원에서는 수학을 비롯한 다양한 과학 기술을 활용해 지구 온난화에 미치는 영향을 최소화 하는 방법을 연구하고 있답니다. 특히 저는 연료에서 힘을 얻어 자동차를 움직이는 엔진의 효율을 높이는 데 관심이 많아요.

하지만 아무리 온실가스를 적게 내뿜는 차를 만들어도 운전하는 사람이 잘못된 운전 습관을 가지고 있으면 소용이 없어요. 연비가 좋은 차도 상황에 따라 연료 사용량이 다르고, 오랫동안 운전하면 그만큼 많은 연료를 쓸 수밖에 없거든요. 그러니 <;수학동아>; 독자 여러분, 자동차를 탈 때 연료를 낭비하지 않도록 노력해 주세요!"


★ 박용성 박사님이 제안하는 지구 사랑 운전법!

1. 급가속은 안 돼!

높은 속도를 내기 위해서는 순간적으로 많은 연료를 쓰게 된다. 출발한 뒤 약 5초가 흘렀을 때 시속 20km에 도달할 정도로 운전하는 게 좋다. 또 속도는 시속 60km가 적당하다.

2. 급정거도 안 돼!

자동차는 가속 페달에서 발을 떼면 연료 공급을 중단했다가 엔진이 멈추기 직전에 자동으로 다시 연료를 넣어 준다. 하지만 브레이크를 밟으면 연료 공급을 중단했다가 다시 공급하기까지 시간이 짧아져서 연료 소모량이 많아진다.

3. 에어컨은 끄고, 차는 가볍게!

에어컨을 쓸 때는 연료 사용량이 약 20% 늘어난다. 또 짐이 많아서 차가 무겁거나 타이어에 공기가 부족해도 연료 소모량이 많아진다.

4. 목적지까지 최단거리로!

운전하는 시간이 길어질수록 연료 사용량은 많아지는 법! 최단거리를 찾아서 운전 시간을 줄이자!


독자기자의 취재수첩!

함께 취재한 독자기자들은 이번 취재에서 무얼 배우고 느꼈을까? 이상훈, 오정환 독자기자의 취재수첩을 들여다보자!

자동차에 숨겨진 수학을 찾았다!

이상훈(수원 잠원초 6)

자동차 연구에 수학이 필요하다고? 처음에는 ‘정말일까?’ 생각하며 의심했는데, 직접 자동차안전연구원을 방문해서 확인해 보니 정말로 수학이 사용되고 있었다. 그 중에서도 가장 기억에 남는 것은 자동차의 연비를 계산해 내는 연구실이었다.

연구실에서는 러닝머신처럼 설치돼 있는 벨트 위에서 차가 달릴 때 발생하는 이산화탄소 등의 기체들을 모은 뒤, 그 중에서 탄소 성분의 양만 측정해서 컴퓨터로 연비를 계산한다. 생각보다 복잡한 식이 나와서 어려웠지만, 자동차 연구에서 수학이 얼마나 중요한 역할을 하는지 알 수 있었다.

이렇게 대다수의 실험을 할 때 수학이 필요하다니 정말 수학을 잘 해야겠다는 생각이 들었다. 박용성 박사님께서 수학은 모든 것의 기초라고 설명해 주신 말씀이 특히 기억에 남는다.


사람과 환경을 보호하는 자동차 속 수학!

오정환(서울 잠일초 6)

2진수는 컴퓨터에서만 쓰는 신호인 줄 알았는데, 자동차 엔진도 컴퓨터와 같은 역할을 한다는 게 신기했다. 엔진과 다른 부품들이 서로 신호를 주고받으며, 입력된 알고리즘에 따라서 상황에 맞게 알맞은 작동을 한다는 것이다. 자동차를 운전할 때 계기판에 뜨는 속도 역시 바퀴의 반지름과 돌아가는 횟수를 측정한 뒤, 순식간에 계산해서 표시해 준다는 사실도 처음 알게 됐다.

게다가 전세계가 겪고 있는 큰 환경 문제 중 하나인 지구 온난화를 막는 자동차 기술 개발에도 수학이 쓰인다고 한다. 박사님이 배기가스량을 측정하고 연비를 계산하는 과정을 설명해 주셨는데, 실험과 수학 계산이 함께 이루어지는 것이 신기했다.

이번 취재로 온실가스 배출량을 줄이기 위해 하이브리드 자동차, 수소전지 자동차, 전기자동차 등 다양한 자동차 기술을 개발하고 있고, 그 가운데 수학이 활용된다는 점을 배울 수 있었다.


최영준 기자의 첨삭 포인트

독자기자 이상훈 친구와 오정환 친구의 글을 잘 보았어요. 상훈 친구는 취재 과정에서 들었던 설명과 느낌을 잘 기록한 점이 뛰어났고, 정환 친구는 자동차에 쓰이는 수학을 잘 이해한 뒤 쉽게 설명한 점이 장점이에요.

다만 두 친구 모두 띄어쓰기나 맞춤법을 잘 맞춰서 간결한 문장으로 쓴다면 더 좋은 글이 될 것 같아요.