탄성 높은 고무로 만든 타이어

땅 닿는 면적 좁은 자전거 바퀴
굴러갈 때 마찰력 적게 받기 때문에 작은 힘으로도 빨리 움직일 수 있죠
멈출 때 사용하는 브레이크엔 지렛대·마찰력 원리가 숨어있대요

날씨가 따뜻해지면서 자전거를 타고 다니는 사람들이 부쩍 늘었어요. 자전거는 타기 쉬울 뿐만 아니라 차가 갈 수 없는 길도 갈 수 있다는 점에서, 봄나들이에 어울리는 이동 수단이죠. 그런데 문제는 봄이 되면 자전거 사고도 자주 일어난다는 점이에요. 전문가들은 자전거가 안전하게 설계된 만큼 안전 수칙을 잘 지키고 간단한 정비 사항만 알아두면 사고를 대부분 예방할 수 있다고 말해요.

어떤 도구를 안전하게 쓰려면 그 도구의 작동 원리를 먼저 아는 것이 중요해요. 예를 들어 가위는 지렛대 원리로 작동하죠. 따라서 종이는 받침점이 되는 중심 부분에 가까이 놓을수록 작은 힘으로 자를 수 있어요. 이는 가위의 안쪽일수록 더 위험하다는 얘기예요. 자전거도 마찬가지예요. 자전거에 숨어 있는 과학적 원리를 이해하면 자연스레 안전하게 타는 방법 또한 알 수 있게 되지요.

▲ /그림=정서용

먼저 자전거 바퀴를 살펴봅시다. 둥근 바퀴 속에는 관성과 마찰력의 원리가 숨어 있어요. 여러분이 공을 던지면 공과 손이 떨어졌는데도 공은 계속 나아가죠. 이처럼 한번 움직인 물체는 계속 움직임을 유지하려고 하는데, 그 힘을 관성이라고 하지요. 이렇게 관성으로 나아가던 공은 던지는 힘이나 바람, 떨어지는 장소에 따라 거리는 달라지겠지만, 어느 순간에는 멈춰요. 그 이유는 마찰력 때문이지요. 날아가는 공은 공기와 마찰하며 점점 속도가 줄어들고, 땅에 떨어진 공은 땅의 표면과 마찰하면서 점점 속도가 줄어드는 것이지요. 마찰력은 지면과 닿는 부분이 넓을수록 커져요. 그런데 둥근 바퀴는 지면과 닿는 부분이 좁죠. 또한 지면 위를 미끄러지는 것이 아니라 바퀴 자체도 함께 돌기 때문에 마찰력이 매우 작아요. 따라서 한번 움직이기 시작하면 작은 힘으로도 움직임을 유지할 수 있죠.

자전거에도 지렛대 원리가 숨어 있어요. 페달을 밟으면 그것이 큰 원을 그리면서 움직여요. 페달의 안쪽 톱니바퀴는 그보다 작은 원운동을 하지만 똑같이 한 바퀴를 돌게되죠. 이것은 힘을 주는 쪽은 움직임이 크고, 힘이 작용하는 쪽은 움직임이 작은 지렛대의 원리와 같아요. 요즘 자전거는 크기가 다른 여러 톱니바퀴를 이용해 때에 따라 다른 톱니바퀴를 이용할 수 있도록 만들어졌어요. 이것을 '기어'라고 해요. 정지 상태에서 움직일 때와 같이 큰 힘이 필요할 때는 앞바퀴와 뒷바퀴에 있는 톱니바퀴의 크기 차이를 줄이고, 빠르게 달리는 상황에서는 더 빠른 속도로 달리기를 원할 때 톱니바퀴 크기 차이를 크게 만드는 것이지요. 자전거가 작은 힘으로 빠르게 움직일 수 있는 것은 바로 이러한 원리 때문이랍니다.

작은 힘으로 빠르게 달릴 수 있는 기능만 있다면 자전거는 위험한 물건일 수밖에 없을 거예요. 그래서 바퀴를 멈추게 해주는 브레이크가 필요해요. 자전거의 브레이크는 크게 '디스크 방식'과 '림 방식'으로 나눌 수 있어요. 디스크 방식은 바퀴 가운데 부분(디스크)에 마찰을 주는 것이고, 림 방식은 금속으로 된 부분의 바깥쪽(림)에 마찰을 줘 바퀴를 멈추게 하는 것이죠.

▲ 뒷바퀴 브레이크를 떼어내고 속도 조절 장치와 타이어를 바꾼 일명 ‘픽시’ 자전거예요. 픽시는 고정 기어 자전거의 줄임말로 단순하고 깔끔한 디자인으로 인기가 많지만, 안전장치가 부족한 경우가 많아 사고가 잦다는 문제가 있어요.

브레이크 또한 지렛대 원리가 숨어 있어요. 가위의 손잡이를 움켜쥐면 손잡이 안쪽에 강하게 누르는 힘이 생기는 것처럼 바퀴 양쪽에 있는 레버를 당기면 레버 안쪽에 있는 고무가 바퀴의 디스크나 림 부분을 붙잡아 멈추도록 하는 것이지요. 그래서 브레이크의 레버를 당겨주는 선이 느슨하거나 고무 부분이 너무 많이 닳았을 때는 브레이크가 정상적으로 작동하지 않아요. 그러니 브레이크 손잡이를 세게 움켜쥐어도 바퀴가 밀리는 현상이 일어나면 즉시 선을 팽팽하게 당기거나 고무 부분을 갈아 줘야 해요.

브레이크의 구조는 간단해서 조금만 배우면 쉽게 정비가 가능해요. 하지만 잘 모른다면 비용이 많이 들지 않으니 반드시 전문가에게 점검을 받아야 해요. 또한 브레이크를 사용할 때는 앞뒤 브레이크를 동시에 서서히 잡아 주고, 뒤쪽 브레이크를 잡는 손에 힘을 강하게 주는 것이 좋아요. 그것은 무게가 갑자기 앞으로 이동해 뒷바퀴가 들리며 고꾸라지는 현상을 막기 위해서예요.

그런데 요즘 브레이크가 없는 자전거를 타고 다니다 사고를 당하는 사람이 늘어나고 있다고 해요. 브레이크가 없으면 가볍고 보기에도 좋다는 이유로 그것을 달지 않는 것이죠. 안전을 무시한 멋은 진정으로 멋있는 것이 아니에요. 멋으로 브레이크가 없는 자전거를 타고 헬멧 등의 안전 장비를 소홀히 하는 일이 없도록 합시다.
[함께 생각해봐요]
정지한 물체를 처음에 밀 때는 힘이 들다가 한번 움직이기 시작하면 힘이 덜 드는 이유는 무엇일까요?
풀이: 관성은 움직이는 물체가 계속 움직이려는 성질 외에도 정지하는 물체가 계속 정지하려는 것도 의미해요. 전자를 ‘운동 관성’, 후자를 ‘정지 관성’이라고 하지요. 즉 정지한 물체를 움직이게 하려면 정지 관성 때문에 큰 힘이 필요하지만, 움직이는 순간부터 정지 관성은 사라지고 운동 관성이 생기기 때문에 힘이 덜 들게 된답니다.

[관련 교과] 6학년 2학기 '에너지와 도구'
조선일보