현대엠엔소프트 공식 기업 블로그 :: 자동차를 둘러싼 재미있는 물리 법칙 이야기 4


자동차는 정확히 어떤 힘으로 움직이는 걸까요? 커브를 돌 때 왜 몸이 바깥쪽으로 쏠릴까요? 차에 탈 때 이런 의문을 가져본 적 있으신가요? 이 궁금증을 해결하기 위해서는 물리 이야기가 필요합니다. 자동차 메커니즘의 대부분은 물리 법칙으로 설명되기 때문이죠. 생소한 용어로 머리가 조금 아파올 수도 있지만 동시에 재미있는, 자동차를 둘러싼 물리 법칙을 알아보겠습니다.

 

1. 자동차는 어떤 힘으로 움직일까?

 

엔진의 운동 원리

 

출처: 키즈현대 http://bitly.kr/S191

 

자동차가 이동하는 원리를 알기 위해서는 우선 자동차의 심장이라 할 수 있는 엔진을 알아야 합니다. 차에 타서 시동을 걸면, 배터리로부터 전기가 공급되어 스타팅 모터가 엔진의 플라이휠을 돌려 엔진이 동작되기 시작합니다. 엔진은 보통 4개 이상의 원통형 실린더를 가지며 일정한 과정을 반복하며 차량을 움직이게 합니다. 가솔린 엔진 기준으로, 엔진의 기본 운동 원리는 다음과 같습니다.

 

1) 휘발유를 빨아들이는 흡입 행정

2) 피스톤 운동을 통한 압축 행정

3) 불꽃 점화로 일어나는 폭발로 동력 전달

4) 연기를 배출하는 배기 행정

 

디젤 엔진의 경우, 4행정 사이클로 작동하는 것은 같지만 흡입 이전에 압축이 먼저 일어납니다. 압축 과정에서 실린더 내부의 온도와 압력을 높여 놓을뿐더러, 경유 자체의 발화점이 낮기 때문에, 점화 없이도 발화가 일어나는 점이 가솔린 엔진과의 차이점입니다.

 

두 종류의 엔진 모두 4행정 사이클이 연속적으로 반복되어, 자동차를 이동시키는 바퀴의 회전력을 만들어냅니다. 정리하자면, 가솔린이나 디젤 연료가 가진 화학 에너지가 엔진 내부에서 열 에너지로, 다시 피스톤 왕복 운동을 통해 역학적 에너지로 전환되는 것입니다.

 

타이어와 마찰력

 

 

자동차의 전신이라 할 수 있는 마차는 말에 이끌려 앞으로 나아갑니다. 그러니 마차의 바퀴는 마차의 무게를 지탱하면서 앞으로 굴러가기만 하면 되었죠. 하지만 자동차의 경우, 앞서 설명한 대로 연료의 에너지가 엔진을 통해 전환되어 바퀴의 회전력을 만들게 됩니다. 이 회전이 자동차를 앞으로 나아가게 하는데, 그 이유는 타이어와 노면 사이에 발생하는 마찰 때문입니다. 이것의 원리는 뉴턴 제3법칙으로 설명 가능합니다.

 

 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 항상 존재한다. 즉 두 물체가 서로에게 미치는 힘은 항상 크기가 같고 방향이 반대이다.”

 

이 법칙은 작용-반작용의 법칙이라고도 불리며, 힘의 대칭성을 보여줍니다. 이 원리를 자동차에 적용해볼까요? 타이어가 회전하면서 접지되는 노면 사이에 마찰이 생기며, 노면을 뒤로 미는 힘이 발생하게 되는데요. 이때 작용-반작용에 따라 노면 역시 같은 힘으로 타이어를 밀게 됩니다. 노면이 타이어를 미는 힘이 바로 자동차를 앞으로 나아가게 만드는 구동력인 것입니다.

 

빙판길에서 수동변속 차량은 2단 기어로 출발하세요!


 

겨울철에는 눈이 많이 내리며 도로 곳곳이 빙판길로 변하곤 합니다. 일반적으로 알려진 겨울철 안전 운전 방법 중 하나는 빙판길에서 수동변속 차량은 2단 기어로 출발할 것입니다.

 

자동차는 타이어가 노면을 밀 때 반작용으로 발생하는 힘에 의해 전진한다고 설명 드렸는데요. 하지만 바퀴의 회전력이 어느 정도를 넘어가면 더 이상 땅을 밀지 못 하고 미끄러집니다. 사람이 미끄러운 땅을 걸을 때 조금만 방심해도 넘어지는 것처럼, 자동차 역시 땅의 마찰이 적으면 바퀴의 회전력이 커져 헛돌게 되는 것입니다.

 

따라서 빙판길 등 미끄러운 노면 위를 주행할 때는 기어를 회전력이 상대적으로 작은, 높은 단수에 놓고 출발해야 합니다. 자동변속 차량의 경우 HOLD 기능을 사용하면 되고요.

 


2. 커브를 돌 때 왜 몸이 바깥쪽으로 쏠릴까?

 

 

뉴턴의 법칙을 다시 빌려오겠습니다. 뉴턴의 운동 제1법칙은 관성의 존재를 설명해줍니다. 모든 물체는 관성을 가져서, 운동 상태를 계속 유지하려고 한다는 것인데요. 즉 정지해 있는 물체는 계속 정지하려고 하고, 움직이는 물체는 계속 움직이려는 성질을 가집니다.

 

그런데 직선 도로를 달리던 자동차가 곡선 도로를 만나 회전을 할 때 지나치게 과속하거나 급제동하지 않는 이상, 도로를 이탈하는 일은 흔히 일어나지 않습니다. 그 이유는 물체가 원이나 곡선상에서 움직이는 원운동을 할 때, 물체를 원의 중심 방향으로 잡아당기는 구심력이 물체에 작용하기 때문입니다.

 

하지만 차량 내 탑승객들은 몸이 바깥쪽으로 당겨지는 듯한 느낌을 받게 됩니다. 실제로 그런 힘은 존재하지 않는데도요. 이는 원심력 때문에 발생하는 현상입니다. 원운동을 하는 물체는 관성에 의해 계속 직선 운동을 하려고 해서 밖으로 쏠리는데, 이렇게 원 중심 반대 방향으로 작용하는 가상의 힘이 원심력입니다. 만약 탑승객이 자동차와 완전히 결합되어 있다면 원심력을 느끼지 못하겠죠? 하지만 그렇지 않기 때문에, 자동차가 정상적으로 커브를 돌 때 탑승객의 몸은 바깥쪽으로 쏠리는 것입니다.

 

커브 구간에서 자동차에 구심력이 작용하기는 하지만, 원심력은 속도의 제곱에 비례해서 커지기 때문에 회전하기 전에 충분히 감속하는 것이 필요합니다. 또한 타이어와 노면 사이의 마찰저항보다 원심력이 클 경우, 차가 가드레일을 들이 받거나 도로를 이탈할 위험성이 큽니다. 그러니 눈이나 비로 도로가 미끄러운 날에는 커브 구간을 특히 조심하시길 바랍니다.

 

3. 자동차 디자인은 왜 대부분 유선형일까?

 

출처 : 현대자동차 http://bitly.kr/Hh3s

 

자동차들은 저마다 특색 있는 디자인을 가집니다. 그런데 대부분의 승용차 디자인에서 일관적으로 나타나는 특징이 있습니다. 바로 유선형의 형태를 취하고 있다는 것입니다. 표준국어대사전이 정의한 유선형의 뜻은 물이나 공기의 저항을 최소한으로 하기 위하여 앞부분을 곡선으로 만들고, 뒤쪽으로 갈수록 뾰족하게 한 형태입니다. 이 뜻풀이대로, 승용차 유선형 디자인은 심미적인 면을 고려한 것이기도 하지만, 차체가 받는 공기 저항을 최소한으로 하기 위한 목적으로 탄생한 것입니다.

 

유선형 디자인은 물 속을 헤엄치는 어류와 공중에서 나는 조류의 형태를 본떠 만들었는데요. 유선형의 물체는 운동 상태에서 공기와 마찰이 발생할 때, 공기 흐름의 변형이 다른 도형에 비해 상대적으로 적습니다.

 

출처: 영현대 http://bitly.kr/xI0e

 

위 사진은 다양한 형상에 따라 유체의 흐름이 어떻게 다른지를 보여줍니다. 사각형, 반원형, 원형, 유선형의 4가지 모양 중 마지막 사진 속 유선형의 모양이 유체 변형이 가장 적은 것을 확인할 수 있습니다.

 

자동차를 유선형으로 디자인하여 공기저항을 줄이는 가장 큰 이유는 연비를 향상하기 위함입니다.

수학 시간에, ‘계수라는 용어를 들어본 적이 있으실 텐데요. 물리학에서도 한 양을 다른 여러 양의 함수로 표시하는 관계식에서 물질의 종류에 따라 달라지는 비례상수’(출처: 사이언스올)라는 의미로 계수를 사용합니다.

 

자동차와 공기저항의 관계에서도 공기저항계수가 있습니다. 공기저항계수가 적어질수록 공기저항이 작은 차가 됩니다. 공기저항계수는 자동차 연비와 관련이 있는 중요한 개념입니다. 일반적으로 공기저항은 자동차 속도의 제곱에 비례하기 때문에, 속도가 두 배로 는다면 공기저항은 2의 제곱인 4배로 늘게 됩니다. 따라서 거꾸로 공기저항계수를 줄인다면, 속도를 높일 수 있어 연비에 도움이 되는 것이죠. 공기저항계수가 10% 낮아지면 연비는 2% 정도 좋아진다고 합니다. 자동차의 유선형 디자인은 이처럼 물리학적인 고민을 통해 탄생한 것이라고 할 수 있습니다.

 

자동차 공기 저항, 연비와 어떤 관계일까? 보러 가기


자동차 공기 저항은 연비와도 관계되는 만큼, 차량 구입 시 중요하게 고려해야 할 대상인데요. 낮은 공기저항계수에 대한 장점, 자동차 업계의 공기저항계수를 낮추기 위한 노력 등 자동차와 공기저항에 대한 내용이 더 궁금하시다면 위 링크를 통해 확인하세요!

 

4. 브레이크를 밟아도 차가 바로 멈추지 않는 이유는?

 

 

힘껏 달리다가 갑자기 멈추는 것은 불가능합니다. 마찬가지로 자동차의 제동력에도 한계가 있습니다. 급제동 시 브레이크의 구조에 따라 바퀴의 회전이 갑자기 멈추게 됩니다. 이때 자동차는 회전이 멈춘 채로 얼마 간 계속 전진합니다. 이렇게 브레이크를 밟은 후 차량이 이동하는 거리를 제동거리라고 합니다.

 

달리는 차는 운동 에너지를 가지고 있고, 운동 에너지는 속도의 제곱에 비례하여 커집니다. 차의 제동거리는 다시 차가 갖는 운동 에너지의 제곱에 비례해 길어지게 되어, 차의 속도가 2배가 된다면 제동거리는 4배가 됩니다. 과속이 위험한 이유 중 하나죠. 특히 빙판길에서는 더욱 조심해야 합니다. 교통안전공단이 지난 해 실시한 실험에 따르면, 빙판길에서의 제동거리는 마른 노면 대비 최대 7배 넘게 증가했다고 합니다.

 

정지해 있는 물체를 운동시키기 위해 필요한 힘을 최대정지마찰력’, 운동 중인 물체가 계속 일정한 속력으로 운동을 유지하게 만드는 데 필요한 힘을 운동마찰력이라고 하는데요. 최대정지마찰력은 운동마찰력보다 큽니다. , 물체가 정지 상태에서 운동 상태로 바뀌기 위해서는 큰 힘이 들지만, 이미 움직이는 물체에는 작은 힘만 가해도 운동 상태를 유지할 수 있는 것입니다.

 

그 때문에 브레이크를 밟아도 자동차가 미끄러워지기 쉽고, 그렇게 되면 핸들을 틀어도 방향이 바뀌지 않기 때문에 위험한 상황이 발생할 수도 있습니다. 주행시험과 제동시험을 시행하는 자동차성능연구소에 따르면 시속 100km로 달리는 자동차에서 갑자기 브레이크를 밟으면 차가 빙글빙글 돌거나 주행방향이 180도 바뀔 수도 있다고 합니다.

 

최대정지마찰력을 이용한 ABS


출처 : http://bitly.kr/OxTa

 

위와 같은 상황에서 자동차가 돌거나 뒤집히는 것을 방지하기 위해 등장한 기술이 바퀴잠김방지식제동장치(ABS, Anti-lock Braking System)입니다.

 

ABS는 자동차가 급제동할 때 바퀴가 잠기는 현상을 방지하기 위해 개발된 특수 브레이크입니다. 여기에는 운동마찰력보다 최대정지마찰력이 더 크다는 원리가 적용되어 있습니다. 미끄러지기 직전까지 브레이크를 밟았다가 미끄러지려는 순간에 브레이크를 놓으면 최대정지마찰력을 이용할 수 있는데요. ABS는 브레이크를 밟았다 놓았다 하는 펌핑 작동을 1초에 10회 이상 반복하여 제동이 이루어지도록 해줍니다.

 

자동차를 둘러싼 물리법칙에 관해 알아보았습니다. 단순한 현상으로 보였던 것들의 이유를 물리학적으로 밝히고 나니, 운전이 더욱 재미있게 느껴지지 않으세요? 자동차에 관한 과학적 사실을 공부하면, 운전 시 주의사항 등 운전에 도움이 되는 내용까지 자연스럽게 습득되니 더 유용한 시간이었습니다. 이상, 현대엠엔소프트 공식 블로그였습니다!

Posted by 현대엠엔소프트

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  1. . 2019.10.08 22:55  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    자동차와 결합되어있어도 원심력은 느껴져요