d라이브러리

아파트 단지 내에서 아이들이 킥보드를 가지고 이곳 저곳 다니는 것을 쉽게 볼 수 있다. 그러나 바라보는 이의 마음이 편치 못하다. 갑자기 나타나는 자동차나 장애물로부터 안전하지 못하기 때문이다. 과연 왜 그럴까.

지난해 히트상품을 꼽으라면 어떤 것이 있을까. 삼성경제연구소가 실시한 조사결과에 따르면, 동창생을 인터넷에서 찾는 사이트 ‘아이러브스쿨’, 드라마 ‘허준’, 영화 ‘공동경비구역 JSA’ 등이 뽑혔다. 이중에서 놀이기구로 2000년 최고의 히트상품은 ‘킥보드’. 지난 한해는 그야말로 킥보드가 뜨고 번창하는 해였다.

킥보드는 1997년 미국 엑서스쿠터사가 처음 개발했다. 그리고 1999년 일본을 강타하더니, 2000년에는 우리나라로 건너왔다. 지난해 3월부터 국내에서 시판해 6개월만인 추석 무렵에 최고의 판매량을 기록한 킥보드의 전파속도는 인터넷의 확산속도를 무색케 한다.

킥보드는 빨라서(quick) 킥이 아니라, 발로 차라(kick)는 의미에서 붙여진 이름이다. 과거 한때 유행했던 세바퀴의 ‘스카이 씽씽’을 연상케 한다. 한발은 킥보드에 올려놓고 다른 한발로 땅을 차서 앞으로 나아가는 것이 같기 때문이다. 그러나 킥보드는 바퀴가 두개다.

끊임없이 생체 에너지 이용하는 걷기

초기에 킥보드는 넥타이를 맨 직장인과 대학생들로부터 인기를 얻기 시작했다. 그 이유는 캠퍼스 내에서 강의실을 옮겨 다니거나, 집에서 전철역까지 이동하는 등 짧은 거리를 쉽게 이동할 수 있기 때문이다. 더군다나 무게가 2-3kg 정도여서 들고 다닐 수 있을 정도로 가볍고, 접어서 가방에 넣고 다닐 수 있어 자전거처럼 번거롭지 않아 매력적이었다. 이처럼 휴대성과 편리성을 갖춘데다 자동차나 오토바이와는 달리 매연을 일으키지 않아 환경 친화적인 이미지까지 보여주었다.

킥보드는 어떤 이유 때문에 걷는 것보다 편할까. 걸을 때와 킥보드를 탈 때의 운동을 비교해보자. 사람이 걸을 수 있는 것은 땅과 신발간의 마찰력 때문이다. 걷는 동작을 잘 살펴보면, 한발은 땅을 지지하고 있고 다른 한발로 땅을 가볍게 차서 미끄러지지 않게 땅으로부터 떨어진다. 즉 마찰력의 도움으로 사람은 미끄러지지 않지만, 걷는 동안에도 계속 체내 에너지를 이용해야 한다.

그렇다면 킥보드는 어떨까. 킥보드에서도 마찰력은 매우 중요하게 작용한다. 한발을 킥보드에 올려놓고, 다른 한발로 땅을 찬다. 이 경우는 걷는 것과 별 차이가 없어 보인다. 그러나 땅을 차는 행동이 여기서는 킥보드가 앞으로 나아갈 수 있는 에너지가 된다. 즉 걸을 때는 땅을 차는 행동과 근육을 이용해 앞으로 나아가는 행동 모두에서 생체 에너지가 필요하지만, 킥보드는 땅을 차는 행동에 쓰인 생체 에너지로 앞으로 나아가는 운동 에너지를 얻는다. 일단 킥보드가 굴러가면 땅을 찬 발을 보드에 올려놓고 가만히 있으면 되기 때문이다. 따라서 발로 땅을 세게 찰수록 킥보드는 더 큰 운동 에너지를 얻을 수 있다. 킥보드를 타면 걷는 것보다 적은 에너지로 이동할 수 있는 것이다.

그런데 이것이 가능한 이유는 킥보드가 바퀴를 갖고 있기 때문이다. 바퀴로 된 것은 어떻게 적은 에너지로도 멀리 갈 수 있는 것일까. 굴러가는 바퀴의 운동을 살펴보자. 이때 바퀴의 움직임을 두가지로 나눠 생각하면 편리하다. 바퀴 전체가 나아가는 방향과 나란하게 이동하는 순수한 병진운동과 바퀴가 축을 중심으로 어떤 각속도를 가지고 돌아가는 순수한 회전운동으로 말이다.

가령 바퀴가 속도 v로 오른쪽으로 이동한다고 하자. 이때 바퀴가 앞으로 나아가는 병진운동은 생각하지 말고 순수하게 회전운동만을 고려하자. 즉 바퀴가 공중에 떠서 회전한다고 보면 된다. 바퀴의 아랫부분과 윗부분의 속도는 값이 v이지만 서로 반대 방향이다. 바퀴가 속도 v로 오른쪽으로 이동하기 때문에 바퀴는 시계방향으로 돌고 있다. 만약 오른쪽 방향을 +로 정한다면, 바퀴의 아랫부분은 -v의 속도로, 윗부분은 +v의 속도로 운동한다. 또한 중심 축의 속도는 없다.

바퀴 모양의 변형이 멈추게 하는 요인

그렇다면 이번에는 바퀴의 병진운동만을 생각해보자. 바퀴의 모든 부분은 오른쪽으로 v의 속도로 나아가는 운동을 하고 있다. 즉 아랫부분, 윗부분, 중심 축 모두 v의 속도로 오른쪽으로 이동한다는 말이다.

따라서 병진운동과 회전운동으로 나눠 생각해본 바퀴를 합쳐보면, 중심 축은 오른쪽으로 v의 속도, 그리고 윗부분은 오른쪽으로 2v의 속도를 가지며, 아랫부분은 이동하지 않게 된다. 이런 사실은 굴러가는 자전거 바퀴를 통해 눈으로 확인할 수 있다. 바퀴살의 윗부분은 빨리 움직이기 때문에 흐리게 보이지만, 아랫부분은 뚜렷하다.

이런 바퀴의 운동이 걷는 것보다 쉽게 이동할 수 있는 현상과 어떤 관계가 있을까. 바퀴는 땅과 닿는 순간 속도가 0이다. 이것은 땅에 닿고 있는 바퀴가 바닥에 미끄러지지 않는다는 말이다. 따라서 마찰력이 존재해도, 바퀴에 어떤 일도 하지 않는다. 바퀴는 땅과 순간적으로 붙었다가 떨어지는 것이다. 따라서 이로 인한 에너지 손실이 없다. 그래서 바퀴는 한번 굴러가면 계속해서 굴러갈 수 있다.

그러나 여기까지는 이상적인 바퀴와 바닥에 대한 경우다. 만약 바퀴가 완전 강체라면 눌리지 않기 때문에, 일정 두께를 가진 바퀴가 땅과 닿은 부분은 선이 된다. 그러나 실제 바퀴는 완전한 강체가 아니다. 따라서 위에서 누르는 무게에 눌려 땅과 닿은 부분이 선이 아닌 면적이 된다.

또한 바닥도 완전히 평평하지 않다. 그래서 바퀴의 모양이 울퉁불퉁한 바닥 때문에 어느 정도 변한다. 따라서 앞으로 가는 자전거의 운동에너지는 바퀴 모양의 변형에 일부 쓰일 수밖에 없다. 이것이 바로 바퀴에서 에너지가 손실되는 가장 큰 요인이다.

또한 바퀴가 눌려서 땅에 닿는 부분이 어떤 점이 아니라 면적이기 때문에 속도가 0이 아닌 부분도 땅과 닿게 된다. 마찰에 의해 에너지가 손실된다는 말이다. 이외에도 공기와의 저항, 바퀴의 크기 등 다양한 요인이 에너지 손실을 가져온다.

이런 바퀴에서의 에너지 손실이 바퀴를 결국 어느 지점에 가서 멈추게 한다. 그래서 바퀴를 멈추게 하는 모든 요인을 합쳐 ‘구름 마찰력’(rolling friction)이라고 총칭한다. 그러나 엄밀히 말하면 마찰력과는 다르다. 왜냐하면 면과 면이 만나서 생기는 마찰에 의한 것만이 아니기 때문이다.

구름 마찰력은 얼마나 될까. 어떤 바닥에서 구르는 바퀴와 같은 바닥에서 구르지 않은 물체의 마찰력과 비교해보자. 구름마찰력은 구르지 않은 물체의 정지 마찰력과 운동 마찰력에 비해 상당히 적다. 같은 재질과 바닥 조건에서 구름 마찰력이 운동 마찰력보다 무려 1백 - 1천배 정도 적다고 한다. 때문에 바퀴가 달려있는 기구를 이용하면 적은 에너지로도 쉽게 멀리 갈 수 있어서 여러 종류의 운송수단이 바퀴를 달고 있지 않은가.

위급상황에서 잘 멈추지 않는 이유

그러나 이같은 눈부신 이동에서의 편리한 장점과는 달리 안전에 문제가 있다. 지난해 10월 5일 킥보드를 타던 5살짜리 어린이가 교통사고로 숨졌다. 한창 킥보드가 잘 팔리던 이때 여러 매체에서 킥보드의 위험성을 보도하기 시작했다. 타다가 다친 사례가 부지기수라는 것이었다. 때문에 킥보드는 최근 큰 타격을 받고 있다. 업계에 따르면, 최근 킥보드를 찾는 소비자가 거의 없다고 한다.

한편 한국소비자보호원은 지난해 11월 28일 위급한 상황에서 킥보드의 제동효과가 거의 없다는 분석결과를 발표했다. 체중 60kg인 사람이 경사 5도인 내리막길에서 킥보드를 타고 5m가량 내려온 뒤 제동을 걸면 제동거리가 2.1-2.8m, 8도의 급경사 내리막길에서는 5.2-8.7m였다. 평지의 경우 10m를 달린 후, 제동을 걸면 3-3.8m 가서 멈추었다. 이 조사 결과로 킥보드가 위급한 상황에서 제동을 걸어도 빨리 멈추지 못하고 앞으로 상당한 거리를 나아간다는 점을 꼬집었다.

그렇다면 킥보드는 왜 제동거리가 긴 것일까. 이를 알아보기 위해 먼저 킥보드의 제동장치를 살펴보자. 대개의 킥보드는 뒷바퀴 위에 커버가 있다. 이것이 바로 킥보드의 제동장치다. 달리는 도중 이 커버를 발로 눌러 바퀴가 굴러가지 못하고 미끄러지게 해 멈춘다. 마찰력이 작용해 멈추는 것이다.

이 제동상황을 역학적으로 분석해보자. 만약 달리던 상황에서 뒷바퀴를 누른다고 하자. 그러면 뒷바퀴에 달리던 방향과 반대편 뒷쪽으로 마찰력이 작용하게 된다. 그런데 이 마찰력이 사람을 앞으로 쏠리게 하는 방향의 돌림힘이 생기도록 한다. 또 달리던 도중 갑자기 멈추면, 계속 달리려고 하는 관성 때문에 사람은 앞으로 더욱 쏠린다. 따라서 앞바퀴에 큰 힘이 가해지게 된다.

그런데 제동이 잘 되려면 뒷바퀴에 큰 힘이 실려야 마찰력이 커져서 빨리 멈출 수 있다. 하지만 뒷바퀴 제동장치는 오히려 앞바퀴로 큰 힘이 실려서 제동효과가 떨어지는 것이다. 또한 뒷바퀴와 제동장치인 커버와의 마찰력이 문제가 될 수 있다. 커버와 뒷바퀴의 마찰계수가 어느 정도냐인 것이다. 마찰계수가 적으면 뒷바퀴가 제대로 멈추지 못하고 미끄러져서 결국 바퀴가 땅에서 어느 정도 굴러가게 돼, 제동거리가 길어지는 한 요인이 될 수 있다.

그렇다면 앞바퀴에 제동장치를 달면 어떨까. 실제로 앞바퀴에 브레이크 장치가 있는 킥보드도 있다. 이 경우에는 발로 제동장치를 누르는 것이 아니라, 자전거처럼 핸들에 장착된 제동장치를 통해 앞바퀴가 굴러가지 못하도록 한다.

앞바퀴에 제동이 걸릴 때는 역학적으로 어떨까. 달리던 상황에서 핸들에 달린 제동장치를 눌러 줘 앞바퀴가 구르지 못한다고 가정하자. 그러면 뒷바퀴 제동장치와 마찬가지로 달리던 방향과 반대 방향의 마찰력이 앞바퀴에 작용한다. 이때도 마찬가지로 마찰력에 의한 돌림힘과 관성 때문에 앞으로 쏠린다. 따라서 이경우는 제동이 걸리는 앞바퀴에 큰 힘이 실려서, 멈추게 하는 마찰력이 크게 작용해 빨리 멈출 수 있다.

그렇다면 제동장치를 앞바퀴에 달면 제동거리가 짧은데 왜 대개의 킥보드 브레이크는 뒷바퀴에 있는 것일까. 제동거리가 짧은 것이 안정적일까. 그렇지 않다. 앞바퀴는 제동이 너무 잘 돼서 문제다. 앞바퀴에 제동을 걸면, 마치 바퀴에 돌부리가 걸리는 것처럼 갑자기 멈추게 돼서 사람은 달리던 방향으로 넘어지기 쉽다. 이것은 더욱 위험할 수 있다. 꼭 제동거리가 짧다고 좋은 것은 아니다.

그렇다면 어떻게 해야 할까. 자전거의 경우, 앞뒤 바퀴 모두에 제동이 걸린다. 앞바퀴에만 너무 걸리면 앞으로 넘어질 수 있기 때문에, 뒷바퀴에도 제동해줘 좀더 안정적으로 킥보드보다 짧은 거리에서 멈출 수 있는 것이다. 그렇다면 킥보드도 앞뒤 바퀴 모두에 제동이 걸리도록 하면 더욱 안정적이지 않을까. 그러나 아직 앞뒤 바퀴 모두 제동되는 킥보드는 없다고 한다.

그러나 이런 위험성은 킥보드만의 문제가 아니다. 자전거, 인라인스케이트 등 대개의 바퀴를 달고 있는 장치들도 안전성 문제를 안고 있다. 따라서 유독 킥보드만 문제가 있는 것처럼 말하는 것은 옳지 못하다. 바퀴를 달고 있는 장치를 갑자기 급감속하면 문제가 발생하기 마련이다. 너무 빨리 달리는 것은 위험하다. 바퀴 달린 기구를 이용하면 쉽게 빨리 갈 수 있는 대신 그만큼 위험하다는 사실을 알아야 한다.

코일을 감싸는 철판 
코일을 감싸고 있는 두개 철판의 역할은 각각 자기장이 변하는 자석의 역할을 한다. 철판 안쪽에 위치한 핀이 반지모양의 자석과 가까이 맞닿게 되면서, 하나의 철판이 N극을 띠면 다른 하나는 S극을 띤다. 바퀴가 구르면서 N극과 S극의 위치가 계속 바뀐다.

발광다이오드
바퀴가 구르면 철판의 자기장이 바뀌어 코일에 유도전류가 흐른다. 바퀴 바깥쪽에 위치한 발광다이오드와 코일의 구리선이 연결돼 있어서 발광다이오드에 빛이 들어온다.

패러데이가 발견한 발광바퀴의 원리

킥보드의 열풍은 초기의 사용자인 직장인이나 대학생과 같은 어른이 아닌 어린이들로부터 일어났다. 그 중에서도 발광 킥보드가 어린이들 사이에서 가장 인기가 높았다. 바퀴가 달릴 때 빨강, 파랑, 노랑, 하양 등 여러 빛을 내기 때문이다. 어떻게 빛을 내는 것일까. 바퀴 안에 건전지가 있는 것은 아닐까. 그렇지 않다. 여기에는 소형의 발전시스템이 내장돼 있다. 그 원리는 어떤 사실일까.

발광 바퀴에 숨어있는 발전의 원리는 간단하다. 1831년에 패러데이가 코일과 자석을 이용해 발견한 전자기유도가 바로 그것이다. 패러데이는 철심에 구리선을 감은 코일을 회로에 연결한 후, 막대자석을 코일 가까이에 가져가 보았다. 그러자 전류가 발생하는 것이었다. 바로 자기의 변화가 전기를 발생시킨 것이다. 반대로 자석을 고정시키고 코일을 가까이 가져가도 마찬가지로 유도전류가 생긴다.

이것이 바로 발광 바퀴에 숨어있는 과학적 원리이다. 그렇다면 발광 바퀴는 어떤 구조를 이루고 있을까. 발광 바퀴 속을 들여다보자. 발광 바퀴의 축에는 반지 모양의 자석이 연결돼 있다. 이 자석의 N극과 S극은 자석 둘레로 반복적으로 분포해 있다.

그렇다면 코일은 어디에 위치할까. 구리 전선을 둥글게 감은 코일은 축에 연결된 영구 자석 바로 옆인 바퀴의 가장 안쪽 부분에 위치한다. 그런데 특이한 모양으로 생긴 두개의 철판 안쪽에 코일을 가둬 놓는다. 철판은 코일처럼 원 모양으로, 안쪽에는 여러개의 핀이 달려있다. 이 철판 두개를 안쪽의 핀이 엇갈리게 맞물려서 코일을 감싸는 것이다.

철판의 모양이 어떤 역할을 하기에 이처럼 독특한 것일까. 바퀴가 굴러갈 때를 생각해보자. 영구자석은 축에 고정돼 있어 움직이지 않는다. 그러나 회전하는 바퀴와 함께 코일과 철판은 돈다. 이때 각 철판의 여러개 핀이 반복적으로 영구자석의 바깥 둘레에 위치하는 N극, 그리고 S극과 번갈아 만나게 된다. 한개의 철판의 핀이 N극이면, 다른 하나는 S극과 마주하게 되는 것이다. 따라서 핀과 연결된 철판의 부위는 각각 N극과 S극을 번갈아 띠게 된다. 자기장이 변하는 것이다. 바로 이것이 바로 코일에 유도전류가 흐르도록 한다.

그런데 이때 생기는 전류는 직류가 아니고 교류다. N극과 S극이 바뀌기 때문에 발생하는 전류의 방향도 계속 바뀌는 것이다. 이렇게 전류가 발생하는 코일은 바퀴의 바깥쪽에 위치한 파랑, 빨강, 하양 등의 빛을 내는 몇개의 발광 다이오드와 연결돼 있다. 따라서 바퀴가 굴러서 유도전류가 발생하면, 발광 다이오드에 환상적인 불빛이 들어오는 것이다.

한편 발광 바퀴를 개발한 국내업체인 텔텍은 교류이기 때문에 발광 다이오드의 불빛이 반짝반짝하고 색이 선명하다고 한다. 그렇지 않으면 발광 다이오드 불빛이 서로 섞여 선명하지 않게 된다고 한다. 이외에도 발광 바퀴에는 여러가지 다른 비밀들이 숨어있다. 천천히 바퀴가 굴러갈 때는 빛이 나지 않다가 어느 순간부터 불빛이 들어오고, 돌리는 속도에 상관없이 일정한 양의 빛을 내게 하는 것에는 다른 장치가 바퀴 내부에 숨어있다고 한다.

발광 바퀴에 응용된 과학적 원리는 단순하다. 하지만 이를 실용화할 수 있는 제품으로 만들어내는데는 여러가지 노하우가 필요하다. 간단한 장치 속에서 또한번 과학을 볼 수 있었다. 이 발광 바퀴는 킥보드 외에도 휠체어, 인라인스케이트 등 여러 바퀴 제품에 쓰인다.

​킥보드를 잘 살펴보면 이 외에도 다른 재미있는 과학적인 사실을 알 수 있다. 이를 읽고 있는 독자가 스스로 직접 찾아보는 것은 어떨까. 타고 놀기만 했던 킥보드를 주의깊게 눈여겨보자.