달리는 자전거는 왜 넘어지지 않을까?

자전거를 오래 탄 사람들은 그러려니 하고 자전거를 타겠지만 자전거를 배우는 사람의 입장에서는 어렵고 한편으로는 신기하기도 합니다. 어떻게 안 넘어지고 굴러가는지를 알면 배우는 이들에게 연습하는데 도움이 될 수 있고, 탈 줄 아는 이들에게도 더 잘 탈 수 있도록 할 것입니다.자전거가 넘어지지 않고 달리는데는 한 가지 요인만으로 결정되지 않습니다. 물리학적인 부분도 있고 자전거를 타는 사람의 중심잡기 능력도 한 몫을 담당합니다.

그 요인들을 나열해보면 자이로효과, 원심력, 캐스터각, 캠버스러스트, 주행자의 중심이동 정도가 있습니다.

하나씩 살펴보겠습니다.

 

1. 자이로효과

우선 아래 동영상을 보시죠.

자이로효과(Gyro Effect)란 회전하는 회전체가 그 회전축을 일정하게 유지하려는 성질을 말합니다. 자전거나 오토바이등 이륜차가 직진할 때 속도가 빨라질수록 그 안정성이 높아지는 것은 자이로 효과의 역할도 있습니다.

이를 자전거를 배우는 사람의 입장에서 보면 무섭다고 속력을 내지 않으면 중심잡기가 더 어려워진다는 것입니다. 넘어지는 것에 대한 두려움을 떨치고 조금이라도 더 빨리 가면 중심잡기는 더 잘 되고 자전거를 더 빠르게 배울 수 있습니다.

어느 동영상 강의에 자이로효과는 자전거가 넘어지지 않는 원리는 아니라고 하지만 작은 영향은 주고 있다고 봅니다. 

 

2. 회전관성(Rotational Inertia)

관성의 법칙(The law of inertia) : 외부로부터 힘이 작용하지 않으면 물체의 운동 상태는 변하지 않는다는 법칙.

다르게 말하면 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려고 하고 움직이는 물체는 계속 움직이려고 한다는 것입니다. 사람의 마음에도 관성이 있죠. 이를 습관이라고 하죠. 이 관성의 법칙이 원운동에서 일어날 때 회전관성 또는 관성모멘트라고 합니다.

굴러가는 자전거 바퀴에도 관성이 발생하는데 회전관성은 회전체의 형태에 따라 달라집니다.

자전거 바퀴와 유사한 형태의 회전체에 대한 회전관성은 I = mR^2입니다. 자전거의 바퀴는 움직이는 바퀴의 무게가 무거울수록, 바퀴가 클수록 회전관성은 커지고 중심잡기가 쉬워집니다. 여기에 회전속도가 빨라도 중심잡기는 더 강해집니다. 속도가 느리다면 중심잡기는 더 어려워집니다. 자전거 배우기는 빠른 속도에 대한 두려움과의 대결이죠.

 

3. 캐스터각 (Caster Angle)

캐스터각은 '90-헤드튜브각도'입니다. 이 캐스터각이 클수록 자전거의 안정성은 높아집니다. 흔히 하는 말로 직진성이 좋아집니다. 미니벨로나 작은 자전거들이 상대적으로 불안정한 이유는 캐스터각이 작기 때문인 경우가 많습니다. 

 

4. 캠버스러스트(Camber Thrust, 원뿔 굴러가는 원리)

동전을 예로 들어 볼까요. 동전을 굴리면 처음에는 일직선으로 굴러가다 나중에는 어느 한쪽으로 회전을 하게 됩니다. 정지해있는 동전은 기울어지면 바로 넘어지지만 굴러가는 동전은 기울어진다고 바로 넘어지지 않고 회전을 하게 됩니다. 기울어진 방향으로 힘이 작용하는데 이를 '캠버스러스트'라고 합니다. 기울어진 각도가 커질수록 이 힘도 커집니다. 자전거가 기울어지면 회전을 시작하는 것이죠. 기울기가 클 때는 회전하는 것이 보이지만 미세하게 기울어졌을 때 넘어짐이 가속되지 않고 다른 요인들에 의해 중심을 잡게 됩니다.

 

5. 주행자의 중심잡기

자전거에 탄 사람의 몸이 중심을 잡는데 쓰여집니다. 아마 속도가 빠르지 않을 때는 중심을 잡는데 이 힘이 가장 크게 작용할 것입니다. 속도가 느릴 때는 자이로효과나 관성이 작고 자전거에 비해 사람의 무게가 휠씬 많이 나가기 때문입니다. 자전거를 잘 타려면 오직 연습 뿐입니다.

[자전거교실] 자전거 배우기, 가르치기