d라이브러리

자동차의 기원을 바퀴 달린 탈것에 초점을 맞춘다면 6천년 전의 메소포타미아 지역까지 거슬러 올라간다. 사람이나 동물의 힘을 이용하지 않고 스스로 움직인다는 자동차(自動車)의 이름을 고려하면 1770년에 만들어진 목재 삼륜차가 그 시초다.

당시 프랑스의 공병 대위였던 퀴뇨가 포차를 끌기 위해 만든 이 증기 자동차는 속력이 시속 3km 정도였다. 오늘날 같이 휘발유로 가는 동차는 1885년 독일의 다임러와 벤츠에 의해 각각 처음으로 제작됐고 이들이 훗날 힘을 합쳐 만든 차가 바로 메르세데스-벤츠이다.

자동차는 그 후 1백10년 동안 빠르기나 편리함, 안전성의 측면에서 처음 자동차와는 비교도 할 수 없을 정도로 발전했다. 그러나 차가 굴러가는 기본 동작 원리는 거의 변하지 않았다.

당연한 말이겠지만 차를 조정하는데 필요한 모든 장치는 운전석 근처에 몰려있다. 자동차의 내부를 꾸밀 때는 운전자의 안전을 우선적으로 고려한다. 계기와 스위치 등은 하나의 계기판으로 합쳐져 단단하게 고정돼있다.

요즘은 차에 다양한 전자장치가 있어서 차의 상태를 정확히 알 수 있다. 이들은 대부분 마이크로컴퓨터와 연결돼 있다. 연료가 떨어져가면 경고등이 켜지거나 소리를 낸다. 또 바깥 등이 잘못 켜져 있거나 문이 잘 닫히지 않았을 때, 안전벨트를 매지 않은 것도 알려준다.

어떤 자동차는 연료 상태가 막대그래프로 표시되기도 하고, 속도계가 숫자로 나타나는 디지털 눈금판으로 되어 있다. 심지어는 차에 대한 여러 가지 상태를 문자로 알려주기도 하며, 목적지까지 남은 거리를 표시해 주기도 한다.
 

에너지 창출과 변신

차를 움직이기 위해서는 먼저 키를 돌려 시동을 걸어야 한다. 키를 돌리면 납축전지에 저장된 전기에너지가 피스톤을 움직이면서 엔진이 동작된다. 자동차의 엔진은 연료를 태워 생기는 열에너지를, 차를 앞으로 나가게 하는 역학적 에너지로 전환시키는 장치다.

즉 연료의 화학에너지가 엔진 내부에서 열에너지로 바뀌고 이에 따라 피스톤이 왕복운동을 하면 이것이 다시 회전운동으로 변환돼 바퀴에 전달된다. 즉 엔진은 꾸준히 동력을 제공하는 사람의 심장과 같다.

엔진 내부에서 연료를 점화시키기 위해 스파크가 발생하는 순간에는 2만 내지 2만5천V의 전압이 걸린다. 이 전기에너지의 근원은 12V짜리 납축전지로 유도코일을 이용하여 승압한다.

일단 차가 굴러가면 차축과 연결된 발전기에서 만들어지는 교류가 직류로 전환돼 축전지에 저장된다. 운행 중에 필요한 모든 전기에너지는 발전기에서 만들어진 전류를 이용하므로 납축전지가 계속적으로 소모되는 일은 없다.

연료는 기화기에서 분무기처럼 기체로 뿜어내 외부에서 흡입된 공기와 혼합된 다. 이 혼합기체는 엔진의 실린더에서 연소돼 엔진축을 회전시킨다. 연소 후 가스는 외부로 배출되고, 엔진은 다시 신선한 혼합기를 흡입한다.

외부로 버리는 배기가스 속에는, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물이 있는데 이들은 대기를 오염시키고 인체에도 해로운 성분이 포함돼 있다. 배기가스의 오염도를 줄이기 위해서는 혼합기체에서 공기의 비율을 높여야 하고, 서서히 연소시켜 완전 연소를 유도해야 한다.

한편 배기관의 일부에 촉매를 발라 유해성분을 무해성분으로 변화시키거나 배기 가스를 다시 혼합기체에 섞어 다시 연소시키기도 한다.
 

가속할 때는 차 뒤쪽이 무거워진다

운전석 아래쪽에는 페달이 두 개 내지 세 개가 있다. 오른쪽 발아래에 있는 페달이 가속페달과 브레이크이다. 왼쪽 발 아래 있는 것이 클러치 페달인데 자동변속기 차량인 경우에는 이것이 필요없다. 가속 페달을 밟으면 혼합기체 중 연료 비율이 높아져 엔진 축의 회전속도가 증가한다.

가속 페달을 밟아 자동차가 가속될 때는 차의 뒤쪽이 무거워지고 앞쪽은 가벼워진다. 반대로 브레이크를 밟아 자동차가 멈출 때는 앞쪽으로 무게가 쏠린다. 차의 무게중심은 지면 위쪽에 있는 반면, 가속력과 제동력은 지면에 작용하기 때문에 나타나는 현상이다. 고속으로 물위를 달리는 모터 보트의 앞부분이 들려있는 것도 이 때문이다.

굽은 길을 돌고 있는 중에 브레이크를 꽉 밟으면 차의 중심은 앞쪽으로 쏠린다. 이에 따라 앞바퀴 쪽이 무거워졌기 때문에 마찰이 커서 잘 미끄러지지 않지만, 뒷바퀴 쪽은 가벼워졌기 때문에 미끄러지기 쉽다.

그렇게 되면 뒷바퀴는 앞바퀴를 따라 회전하지 않고 가던 방향으로 미끄러지면서 차의 방향이 중앙선 쪽으로 틀어진다. 순간적으로 매우 위험한 상황에 빠져드는 것이다.
 

빙판길에서는 2단 출발

클러치는 엔진축 기어와 바퀴축 기어를 맞물려주는 장치로 수동식 자동차인 경우에는 일종의 스위치 역할을 한다. 운전석 왼쪽 아래에 있는 페달을 밟으면 접촉이 끊어진다. 이 때 기어 손잡이를 조작해서 단수를 조절하고 페달을 놓으면 다시 맞물려진다.

자동변속기에는 엔진 회전수나 차의 속도와 브레이크 페달의 작동 정보를 읽는 센서가 부착돼 있어 유압을 이용해 자동으로 기어의 단수를 조절한다.

겨울철 빙판길에서는 2단으로 차를 출발시키라고 한다. 물리 법칙에 비춰봐도 타당한 이야기다. 자동차가 앞으로 움직일 때는 바퀴가 땅을 뒤로 밀고 그 반작용인 땅이 바퀴를 미는 힘에 의해서 추진력을 받는다. 만일 바퀴의 회전력이 어느 한도 이상이면 이제는 더 이상 땅을 밀지 못하고 미끄러져 버린다. 진창길에서 바퀴가 헛도는 것은 이 때문이다.

땅의 마찰이 작으면 아주 작은 힘에도 미끄러져서 헛돌게 된다. 사람이 미끄러운 땅위를 걸을 때 살금살금 걷는 것과 마찬가지로 자동차 바퀴의 회전력도 커지지 않도록 조심해야 바퀴가 헛돌지 않는다.

따라서 회전력이 상대적으로 작은 높은 단수로 출발하라는 뜻이다. 마찬가지로 미끄러운 길에서는 회전력이 커지지 않도록 주행 중에 같은 속도라도 평소보다 높은 단수를 유지해야 한다.
 

최대정지마찰력 유도하는 ABS

정지하려고 할 때는 언제나 브레이크만 밟으면 된다고 생각하는 것은 오산이다. 브레이크를 밟은 순간부터 차체가 완전히 정지할 때까지의 제동거리는 차가 진행하는 속력의 제곱에 비례한다.

예를 들어 시속 60km로 달리는 자동차에 비해 시속 120km로 달리는 자동차의 제동거리는 4배가 길어진다. 빨리 달리는 작동차가 위험한 것은 바로 제동거리가 달라지기 때문이다. 특히 겨울철 빙판길 위에서 멈출 때는 더욱 조심해야 한다.

브레이크를 밟으면 자동차가 미끄러지기 쉽고 일단 미끄러지기 시작하면 핸들을 틀어도 움직이던 방향이 바뀌지 않기 때문이다. 정지해 있는 물체를 움직이기 위해 필요한 힘을 최대정지마찰력, 움직이는 물체가 계속 일정한 속력으로 나아가게 하는데 필요한 힘을 운동마찰력이라고 한다.

최대정지마찰력은 운동마찰력보다 크다. 이 말은 멈춰 있던 물체를 움직이는데는 큰 힘이 들지만 일단 물체가 움직이기 시작하면 그 다음 부터는 훨씬 작은 힘만으로도 물체를 계속 움직이게 할 수 있다는 뜻이다.

보호색, 코너 큐브

차의 뒷부분에는 플라스틱으로 된 둥근 반사판이 달려있다. 이 반사판에 빛을 비추면 밝게 반짝거려서 불이 꺼진 채 주차해 있는 경우에도 쉽게 식별이 가능하다.

반사판 내부에는 코너 큐브(corner cube)라고 하는 일종의 프리즘이 촘촘히 박혀 있다. 코너 큐브는 정육면체(cubic)의 모서리(corner)인데 이렇게 생긴 프리즘에 빛을 비추면 다시 빛이 온 방향으로 되돌아간다.

아폴로 우주 비행사가 처음 달에 착륙했을 때도 달 표면에 이 코너 큐브를 장치하고 돌아왔다. 지구에서 레이저 빛을 보내 되돌아온 시간으로 달까지의 거리를 정밀하게 측정하기 위해서다.

만일 그냥 거울을 이용했다면 쏘아보낸 레이저 광선이 다시 제자리로 돌아오게 하기는 거의 불가능했을 것이다. 도로의 중앙선 대신 박혀있는 식별판에도 이러한 코너 큐브가 이용되며 유난히 밝게 빛나는 도로 표지판도 작은 알갱이로 된 코너 큐브가 섞인 페인트를 사용한 것이다.

후면경은 평면거울

시간을 다투며 운행해야 하는 소방차나 구급차는 앞차가 빨리 길을 비켜줄 수 있도록 사이렌을 울린다. 이와 동시에 앞차의 운전자가 구급차임을 빨리 알아 볼 수 있도록 하는 방법이 있다. 미국의 앰뷸런스에는 글씨가 거꾸로 쓰여있다 즉 앞차의 운전자가 위급한 상황을 빨리 파악하도록 도와주는 것이다. 자동차의 백미러로 불리는 평면거울은 물체의 상이 좌우가 바뀌기 때문이다.

측면거울 오른쪽은 볼록거울

자동차의 좌우에 달린 두 개의 측면 거울 중 오른쪽은 볼록 거울을 사용한다. 왜냐하면 평면거울보다 시각 범위가 넓어져 옆에서 다가오는 차를 쉽게 볼 수 있기 때문이다. 볼록거울에 만들어진 상은 실물보다 작고 거울쪽에 더 가까이 있다.

초보자의 경우 이 사실을 모르고 있으면 뒤쪽의 차가 매우 다가와 있는 것처럼 느껴 당황해 한다. 따라서 왼쪽은 평면 거울을 쓴다. 간혹 왼쪽 거울이나 차 내부의 후면경도 볼록거울로 바꾸는 경우가 있는데 오히려 거리 감각이 떨어져서 위험할 수 있다.

차의 거울을 잘못 설치하면 옆쪽으로 다가오던 뒷차가 갑자기 사라져버리는 사각(死角)이 발생한다. 현재의 모든 자동차는 사각이 없도록 거울이 설치돼 있다. 제대로 맞추려면 먼저 옆 거울을 통해 내 차의 엉덩이가 보이지 않도록 해야 한다. 운전석을 당겨 앉는 것도 좋은 방법이다. 거울을 가까이 보면 시야가 넓어지기 때문이다.

평행광 만드는 전조등 오목거울

차의 앞부분을 비추는 전조등은 처음에 렌즈·전구·반사경을 따로따로 조립해서 장치했지만, 최근에는 대부분 일체식 구조로 된 전구를 사용한다. 차의 전조등은 밤중에 평행광선을 멀리까지 보낼 수 있어야 한다. 이것을 가능하게 한 것이 바로 전조등 내부의 오목 거울이다.

오목거울의 초점에 전구를 놓으면 초점에서 나간 빛이 오목거울에서 평행광선으로 반사된다. 초점면에서 전구가 약간 아래쪽에 있으면 평행광선은 위쪽으로 뻗어가며 반대로 전구가 위쪽에 있으면 아래쪽으로 뻗어간다.

상향등 스위치를 올릴 때, 전조등 뭉치 전체가 위쪽으로 방향을 트는 것이 아니라 아래쪽에 있던 별도의 전구가 켜져서 빛이 위쪽으로 향하도록 돼있다.

연료 60% 공기저항에 소비

보통의 자동차가 시속 85km로 달리고 있다면 연료의 60%는 공기 저항을 이기는데 사용된다. 따라서 자동차를 공기역학적으로 적절히 잘 설계한다면 공기저항을 크게 줄여서 연비를 높일 수 있을 것이다. 오늘날의 자동차들이 가볍고 날렵하게 생긴 이유가 바로 공기역학적인 고려를 했기 때문이다.

차체를 낮추고 앞유리를 완만하게 하면 공기 저항을 줄여 유리하기도 하거니와 보기에도 날아갈 것같이 경쾌해 보인다. 특히 앞으로 자유자재로 형체를 만들 수 있는 플라스틱으로 된 자동차가 일반화되면 더욱 공기역학적으로도 안정된 자동차가 선보일 것이다. 힘들여 프레스를 하고 때로는 수천 군데나 용접을 해야하는 강철과는 달리 플라스틱은 주형으로 찍어서 생산할 수 있다.

이 공정은 비용이 적게들 뿐 아니라 자동차의 섬세한 부분을 만드는데도 제한을 받지 않는다는 장점이 있다. 또한 플라스틱은 부식에도 강하고 어떤 색깔로든 만들 수 있다. 그러나 별로 윤이 나지 않고 광택이 잘 나게 만드는데 필요한 고온 도장에 견디지는 못해 과학자들은 플라스틱에 더 윤이 나게 하는 방법을 개발하고 있다.

이중 유리로 안전 확보

모든 차에는 안전 벨트가 장착돼 있고, 근래에는 안전 에어백이 장착된 차도 많다. 안전 벨트나 에어백은 관성의 법칙 때문에 도입된 안전 장치다.

정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려 하고, 운동하는 물체는 계속 운동하려고 하는 것이 관성이다. 즉 달리던 자동차가 브레이크를 걸어 차체는 정지하더라도 사람의 몸은 관성 때문에 앞으로 쏠리는 힘을 받는다. 만약 급제동시 안전벨트를 착용하지 않고 있다면 사람은 관성 때문에 유리창을 향해 튕겨 나갈 것이다.

자동차의 앞유리는 2-3mm정도 되는 두겹의 일반 판유리 사이에 고충격에도 저항을 갖는 합성수지 필름층이 압착가공된 샌드위치 구조이다. 교통사고가 날 경우 자동차의 앞유리가 깨지면서 파편이 튀면 운전자는 매우 위험하므로 등장한 것이 유리판 사이의 필름.

이 층은 매우 얇지만 견고하기 때문에 충격흡수성이 있어 유리가 깨지더라도 파편은 필름에 접착돼 있어 안전하다. 또한 이 때 사용하는 유리는 충격후 시야를 흐리지 않는 일반 유리를 사용한다.

강화유리가 사용되는 옆유리나 뒤편의 유리는 3-5mm의 일반판유리를 열처리, 성형가공한 제품으로 일반판유리보다 3-5배의 강도를 가지고 있다. 강화유리는 충격을 받으면 작은 파편으로 부서져 안전 하지만 시야를 흐리는 단점이 있어 앞유리에는 사용하지 않는다.

안전유리의 아이디어는 1904년 파리의 한 연구소에서 처음 생겨났다. 베네딕투스라는 과학자가 선반에서 빈 병을 떨어뜨렸을 때 병은 깨졌지만 형태를 유지했다고 한다. 병 안에 원래 들어있던 콜로디온(collodion)이라는 물질이 증발하고 남아있던 셀룰로스의 막 때문에 흩어지지 않았던 것이다.

강한 충격에도 운전자와 탑승자를 보호하는 1차적인 역할을 담당하는 것은 좌석이다. 특히 운전자의 좌석은 편안하고 인체공학적인 개념을 감안해 개발되는데, 차의 움직임에 따른 미세한 신호들까지 전달되도록 차와 운전자사이의 정보통로 기능까지 가지고 있다.
좌석의 구조는 강력한 프레임과 딱딱한 패딩으로 구성돼 있고, 급커브에서 탑승자가 옆으로 미끄러지는 것을 방지하기 위해 깊은 가로 받침대가 있다.

마찰력 증가시키는 타이어 홈

물리교과서에서는 마찰력이 접촉면의 면적과 무관하다고 한다. 이 말은 완벽하게 단단한 표면일 때만 옳다. 자동차 타이어 같이 위에서 누르는 힘에 따라 모양이 변하는 경우에는 접촉면적이 클수록 마찰력도 커진다.

따라서 경주용 자동차에는 접촉면의 면적을 넓히기 위해 홈 없이 완전히 매끄러운, 슬릭이라는 타이어를 사용한다. 마찰이 작으면 바퀴의 회전속도가 빨라졌을 때, 노면에서 미끄러져 바퀴가 헛돌기 때문이다.

보통 타이어에 나 있는 홈은 젖은 도로에서 마찰력을 증가시키기 위한 것이다. 홈이 나 있지 않다면 도로와 바퀴 사이에 얇은 물의 층이 생기는 수막 현상이 더 심해진다.