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기술이야기
 
작성일 : 05-03-15 20:38
자전거의 발달
 글쓴이 : 오규찬
조회 : 14,695  
자전거의 발달
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문명의 이기로서 현대 세계에 급속하게 보급된 자동차나 비행기는 막대한 지구자원 을 낭비하고 있을 뿐 아니라 그 배기가스는 지구환경을 오염시켜 위기를 초래하고 있다. 대량수송기관인 전차도 또한 발전할 때 막대한 오염물질을 배출한다. 이런 상황에서 인력으로 달리고 전혀 오염 물질을 배출하지 않는 자전거는 21세기, 아니 미래의 탈것으로서 지금부터 깊은 관심을 가져야 할 교통수단이라고 말할 수 있다.


자전거는 1790년에 프랑스인 드 시브락이 목마의 다리에 나무 바퀴를 달아 양쪽 다리로 번갈아 지면을 받으면서 나아가는 놀이기구를 만든 것이 시초이다. 당시의 자전거는 핸들과 브레이크가 없었기 때문에 방향을 바꾸려면 멈춰 자전거를 들어 올려야 했다. 그후 1818년 독일 바덴의 삼림국장을 지낸 칼 드라이스 남작이 나무 핸들을 고안해 자기 이름에서 따온 드라이지네라는 자전거를 만들었다(그림 2). 이것은 달리면서도 방향을 바꿀 수 있었다. 스코틀랜드의 대장장이 K, 맥밀란은 드라이지네를 여러 차례 타보면서 여기에 몇 가지 개량을 시험해보았다. 그는 너무 커서 효율성이 없는 나무 핸들을 작은 철제로 바꾸고 앞바퀴에 발판 레버를 달았다. 레버를 발음으로써 래크의 원리와 크랭크에 의해 뒷바퀴가 회전하는 획기적인 것이었다. 이것을 타고 다니면서 맥밀란은 페달에 대한 착상을 얻었지만. 26kg이나 되는 무거운 자전거로 을 치고 말아 더 이상 개량할 의욕을 잃었다.


안전차예서 현대의 자전거까지



페달을 발명한 사람으로는 1861년의 프랑스인 P. 미쇼라 는 설과 1865년의 프랑스인 랄만이라는 의견이 있는데, 파리의 유모차 및 마차 제조업자 미쇼의 자전거 베로시패드 (그림 3)는 굉장한 인기를 끌었다. 이것은 앞바퀴에 페달 을 달아 효율은 높았지만, 앞바퀴의 발판 레버로 뒷바퀴를 움직인다는 맥밀란의 착상보다는 일보 후퇴한 것이었다. 또한 진동이 일률적이어서 사람들이 이를 본 세이커라고 불렀다. 얼마 안 있어 오디너리형이라고 불리는 앞바퀴가 커다란 자전거(그림 4)가 속도가 빨라 1870년대부터 1880년대 의 유럽에서 유행했다. 그러나 이 자전거는 속도는 빠르지만 불안정하여 넘어질 위험이 컸고 타는 데도 상당한 숙련이 필요했다. 이 때문에 더 안전한 자전거로 개량하는 시도가 이루어졌다. 1807년에 맥슨은 속이 빈 강관으로 틀을 만들고 철강제 바퀴살을 넣은 바퀴를 고안해냈다. 이로써 자전거는 훨씬 가벼워졌다. 이어 H. 로손은 체인으로 뒷바퀴를 움직이는 획기적인 발명을 했다, 1885년 J. 스탈리는 앞바퀴와 뒷바퀴의 크기가 거의 같은(앞바퀴가 조금 더 크다) 자전거를 로버 공장에서 대량생산하기 시작했다, 이것은 오디너리 형에 비해 안전한 구조였기에 안전차라고 불렸다. 이러한 과정을 거쳐 현대 자전거의 구조가 만들어졌다. 그러나 이 안전차에도 큰 결함이 있었다. 바퀴의 이음부분을 나무나 딱딱한 고무로 댄 것이다. 고무는 나무보다는 나았지만, 포장도로가 보급되지 않았던 당시로서는 승차감이 좋지 않았다, 그러나 미국 필라델피아의 금속공 찰스 굿이어가 1839년에 고무 가류법을 발명하여. 온도가 바뀌어도 변하지 않는 고무를 만들어냈다.

1845년에는 공기를 채워 넣는 속 빈 고무관이 고안되었지만, 실용화되지는 못했다. 이것의 실용화에 성공하여 특허를 얻은 사람은 스코틀랜드의 수의사 J. 던롭이었다. 그는 아들이 자전거를 어떻게 하면 편안하게 탈 수 있을까 궁리 하다가 압축공기를 넣은 고무제 튜브를 고안해냈고. 땅에 닿은 면이 요철로 처리된 반원형 타이어로 소음과 진동이 거의 없는 자전거를 만드는 데 성공했다. 이어 바퀴의 회전축에 마찰을 방지하기 위한 '구슬 굴대 받침' 즉 볼 베어링과 브레이크가 고안되기도 했으며. 20세기에 들어와 페달을 밟지 않아도 뒷바퀴가 회전하는 프리휠(자유바퀴)이 발명되었다. 이후 오늘아 이르기까지 변속기 등이 개량되었으며. 더 이상의 기본적인 기술, 구조 의 변화는 없었다. 자전거의 기술은 20세기초에 완성되었다고 볼 수 있다,


나무 자전거에서 철제 자전거로


자전거의 발달사를 간단히 추적해보았는데. 이제 자전거 의 발달을 촉진하고 이에 도움을 준 세계사의 큰 움직임을 살펴보자. 자전거는 18세기 후반에 발명이 이루어져 19세기 전반의 드라이지네까지는 나무로 만든 수공제품이었다 그후 맥밀란 형의 자전거에서 나무의 일부가 철로 대체되기 시작하여 이후에는 급속하게 기술개량이 이루어졌다. 그 배경에는 영국 산업혁명의 진전과 과학기술의 급속한 발전이 있었다. '19세기는 자연과학과 기술의 세기'라고도 한다. 페달, 체인, 볼 베어링의 개발과 그것들을 만들어낸 공작기계의 진보는 광범한 산업기술의 발달을 배경으로 한다. 그처럼 멋진 착상과 발명도 시대적 배경 없이는 실용화될 수 없다는 사실은 16세기의 레오나르도 다빈치가 비행기. 헬리콥터, 자동차, 방적기를 고안해냈지만 당시의 기술 수준의 한계로 그의 천재적인 착상을 실현하지 못했다는 것에서 이해할 수 있을 것이다.

또한 세계적인 타이어 제조회사의 이름으로 유명한 굿이어나 던롭이 발명한 고무 제조기술과 타이어, 체인이 보급된 배경에는 고무를 채취하는 아시아 아프리카 민중의 고뇌가 있음을 잊어서는 안된다. 건강에도 좋고 지구환경에도 바람직한 미래의 탈 것 자전거를 생각하면 가끔씩 이러한 자전거 발달의 역사와 그것을 뒷받침해준 과학. 기술의 발달, 그리고 당시 사회상황에 대해 생각하게 된다.


중력을 이용한 인류 최대의 발명품


둥근 물체들이 다른 것보다 잘 움직이는 것을 두고 우리는 마찰의 저항이 적기 때문이라고 배웠다. 움직이려는 물체는 모두 다 그 물체와 접해 있는 물질, 즉 땅이나 바닥 등과 맞닿아 마찰을 일으키게 되는데, 원형(圖形) 또는 구형(球形)의 물체들은 사각형이나 삼각형의 물체에 비해 상대적으로 작은 면적이 맞닿아 있고, 이 때문에 마찰로 빼앗기는 힘이 적어 잘 움직인다는 가르침이었다. 둥근 물체가 잘 움직이는 것은 엄밀히 따져 볼 때 중력 때문이다. 전체 크기 에 비해 바닥 면적이 작은 물체들은 중력 때문에 스스로 넘어지려는 힘을 갖게 된다. 둥근 물체의 경우는 움직여도 똑 같은 모양이기 때문에 바로 이러한 힘들이 연속적으로 일어날 수 있는 것이다, 다시 말해 둥근 물체를 움직이는 데에는 움직이게 하는 힘에다 스스로 넘어지려는 힘이 합쳐지기 때문에 쉽게 움직인다고 보면 된다. 오늘날 인류문명의 근간이 된 바퀴는 바로 이렇게 해서 탄생하게 되었다. 비록 이러한 원리는 몰랐지만 우리의 선조들은 뛰어난 관찰력과 기억력을 통해 구르는 돌 하나. 자신의 먹이를 움직이는 쇠똥구리의 발동작 하나에서 바퀴라는 생각을 떠올릴 수 있었던 것이다.

바퀴에 관하여 가장 오래 된 기록은 기원전 3500년경 티그리스 , 유프라테스 유역에 거주하던 수메르인의 전쟁 벽화에 나타난 전차용 통나무 바퀴의 그림이다. 그 이전 이집트에서 피라미드를 짓기 위해 통나무들을 바위 밑에 끼워 바위를 움직이기도 했지만. 모래가 많은 지형 때문이었던지 이집트인들은 주로 썰매를 애용했고 이 통나무들을 바퀴로 발전시키는 데에는 생각이 미치지 못했다. 수메르인은 특히 통나무 원판 하나로 바퀴를 만들면 나뭇결에 따라 쪼개지기 쉽다는 점을 알고 두세 개의 통나무 원판을 나뭇결이 서로 엇갈리게 붙인 바퀴를 개발하기도 했는데. 이는 오늘날 합판의 원리와 똑같다. 하지만 이때까지의 바퀴는 속이 꽉 찬 것들이었고, 오늘날처럼 가운데 부분이 팬 바퀴는 기원전 2000년경에 아시리아인에 의해 처음 등장했다, 그들은 나무 테두리에 나무살을 박은 전차 바퀴를 만들어 냈는데. 훨씬 가벼운 무게 때문에 전차의 기동력이 높아졌고. 그 결과 중동지방 전역을 제패할 수 있었던 것이다. 이후 나무 테두리에다 짐승 가죽, 철판 등을 씌워 마모를 줄인 바퀴들이 차례로 등장했는데, 이 중 서유럽의 켈트인은 바퀴 구멍 에 바퀴 축을 그대로 끼우지 않고 소형 나무 원통들을 바퀴 축과 바퀴 구멍 사이에 끼워 넣은 바퀴를 발명하기도 했다. 이는 바퀴가 돌면서 발생하는 마찰과 소음을 대폭 줄이는 장치였는데, 오늘날의 바퀴에는 바로 이와 같은 원통형 또는 구형의 베어링이 아직도 사용되고 있다.

고대의 이같은 발명은 15세기까지도 큰 변화 없이 그대로 이어지다 1490년 레오나르도 다빈치가 현재의 자전거 바퀴처럼 수십 개의 가는 철살(스포크. spoke)로 바퀴를 지탱하는 방법을 고안해 냈다. 이후 바퀴는 원리 면에서 큰 변화 없이 그대로 이용되다 17세기. '레일' 을 만들어 그 위로 바퀴가 움직이게 하는 방법이 등장했다. 당시 유럽은 석탄의 이용이 활발해지면서 광산 개발이 한창이었는데. 울퉁불퉁한 갱도 내에서 수레가 쉽게 다니는 방법을 찾다 보니 자연히 나무로 바닥판을 까는 방법이 고안되었다, 영국인 다비는 1796년 바로 이러한 나무판을 오늘날처럼 레일의 형태로 바꾸는 고안을 해냈으며. 이어 이를 철도의 레일에 적용했다. 철도 레일의 발명으로 이후 기차의 눈부신 발전이 가능하게 되었는데, 바퀴의 제동장치인 브레이크도 바로 이 과정에서 등장하게 되었다. 19세기 초반의 영국 기차에는 별도의 브래이크 장치가 없었고, 목적지에 이를 때쯤 되면 기관사가 증기기관을 끈 뒤 관성에 의해 얼마 동안 달리다가 서는 방식이 전부였다. 가끔씩 목적지를 지나치는 경우도 있었는데. 그때에는 남자 승객들이 모두 뛰어내려 기차를 손으로 잡아 세우면 그만이었다. 하지만 19세기 중반 들어 기차의 속도가 50km가까이 올라가고 객차도 10여 개씩 달린 육중한 형태가 되면서 사정은 달라졌다. 갑작스런 장애물이나 사람이 아무리 멀리 있어도 그대로 부딪치는 수밖에 없어 1853년에는 한 해에 무려 103건의 대형사고가 발생했을 정도였다. 고심 끝에 사람의 힘으로 철편을 기차의 바퀴에 접촉 시켜 속도를 줄이는 장치가 마련되기는 했지만 거의 효과가 없었다. 5, 6명의 기관사의 팔심만으로는 기차의 엄청난 무게와 속도를 감당할 수 없었고. 설사 감당한다고 해도 수백 개에 달하는 기차 바퀴들을 동시에 세울 수도 없었던 것이다. 이러한 문제는 웨스팅하우스라는 미국의 청년에 의해 해결됐는데, 그는 광산의 증기기관에서 압축된 공기를 관을 통해 지하 갱도 에 설치된 착암기까지 순간적으로 밀어 넣어 착암기를 움직이게 하는 것을 보고 아이디어를 얻었다. "광산에서 사용하는 압축공기 장치와 똑같은 원리로 브레이크를 만들면 빠른 시간 내에 엄청난 힘으로 제동이 될 것"이라는 것이 그의 생각이었다, 주변에서는 "공기로 어떻게 쇳덩어리를 세우느냐"고 비웃었지만. 실제 그는 압축공기로 피스톤을 움직이고, 이 피스톤의 움직임에 따라 브레이크가 자동으로 위력을 발휘하는 장치를 만들어 냈던 것이다.

바퀴에 관련해서 빼놓을 수 없는 것이 타이어인데. 이는 1839년 미국인 굿이어가 실험 도중 우연히 고무의 경화법을 발견하면서, 바퀴에 응용되기 시작했다, 하지만 이 당시의 타이어는 속이 왁 찬 고무를 나무나 쇠로 된 바퀴의 겉부분에 씌우는 것에 불과해. 승객들이 개선된 승차감을 거의 느낄 수 없었다, 오늘날처럼 속에 공기를 주입하는 진정한 의미의 고무 타이어는 1888년 아일랜드의 수의사였던 던롭이 개발했다. 그는 자신의 아들이 딱딱한 바퀴로 된 자전거를 타고 놀다 다치는 일이 많아 고민 중이었는데, 어느 날 자신이 가지고 있는 바람 빠진 축구공을 보고 바람이 든 타이어를 생각해 내게 되었다. 그는 즉시 고무 호스로 자전거 바퀴에 테두리 부분을 감싼 뒤 여 기에 바람을 집어넣어 본 결과, 자전거의 승차감이 훨씬 좋아지고 속도도 빨라진 사실을 알아냈다, 타이어 속의 공기가 마치 스프링처럼 완충작용을 했기 때문이다. 또, 노면에 요철이 있을 경우 보통의 바퀴는 요철에 따른 진동을 마차나 자전거에 그대로 전달, 움직이는 물체 전체가 불필요한 상하운동으로 에너지를 소모하지만, 타이어의 경우는 스스로가 이러한 진동를 흡수해 버렸기 때문이다. 이후 1898년 미국의 슈레이더가 밸브코어(공기 주입 장치), 프랑스 미쉐린 형제가 바퀴 탈착 장치(손의 힘만으로 바퀴를 빼고 끼우는 장치), 1907년 호머튼 사가 재생 타이어. 1933년 독일 바펜이 합성 고무를 이용한 타이어를 잇달아 개발해 내면서 타이어 산업은 급 성장의 계기를 맞게 된다. 국내의 타이어 산업은 1941년 일본 브리지스톤 사가 서울에 세운 '조선다이야공업사' 가 최초이나, 대부분 중일전쟁의 군수물자 로 사용되는 것이 고작이었다. 본격적인 국내 산업은 6.25 한국전쟁 이후 '조선다이야' 가 한국타이어로 재건되고, 60년대 초 호남 갑부 박인천(朴仁天) 씨가 자신이 운영하던 광주여객 버스용 타이어를 직접 만들기 위해 삼양타이어사(현 금호타이어)를 설립하면 서 시작되었다.

보통사람의 눈에는 그저 '시커먼 고무 덩어리' 정도로 여겨질지 몰라도 실제 자동차 타이어는 자동차의 무게를 지탱하고 구동 , 제동력 전달, 충격 완화 등의 중요한 기능을 하는데다 작은 변화에도 주행에 큰 영향을 미치는 민감한 부분이다. 타이어는 크게 고무로 된 겉표면인 '트레드'와. 트레드를 차체의 휠에 연결시키는 '리드' , 트레드의 골격을 유지하고 인장 강도를 높이기 위해 트레드 안쪽에 접합하는 '카커스' 부분으로 이루어진다. 트레드는 과거 생고무로 만들어져 타이어가 횐색이었으나, 1~4년 천연고무에 탄소 가루를 섞어 강도를 높인 '카본 블랙' 고무가 만들어지면서 타이어는 줄곧 검은색을 띠게 되었다 '트레이드마크로 불리는 타이어 표면의 요철 무늬는 초기 타이어가 미끄러지지 않도록 하는 것이 주목적이었으나. 기술의 발달로 최근에는 그 모양에 따라 가속, 물빠짐, 제동력, 눈길 주행 등의 역할까지 할 수 있게 됐다. 주행 방향에 맞춰 세로로 난 줄무늬(브이형)는 회전 저항, 진동이 적고 조종성이 좋아 일반 승용차나 레이스용으로 쓰이며, 가로 방향의 줄무늬(러그형)는 마찰 저항이 커 속력은 떨어지지만 구동력과 제동력이 좋아 트럭, 산업용 중기 등에 주로 사용된다. 스노 타이어는 눈을 찍어 눌러다지며 잘 달릴 수 있도록 미세한 블록 형태로 트레이드마크를 만드는데, 빙판길에서는 효력이 없어 한동안 스파이크(쇠못)를 박은 형태가 쓰이다 최근에는 빙판 표면의 수분을 흡수, 미끄럼을 막는 발포고무가 스노 타이어로 사용되고 있다. 비드는 타이어를 휠과 연결시키는 역할 외에 연결 부위 사이로 타이어 내부의 압축공기가 빠져나가지 않도록 고압축 고무로 만들어지는 것이 특징이다. 카커스의 원료로는 과거 굵은 면사. 나일론 등이 쓰이다가 최근에는 폴리에스터. 유리섬유. 고강도의 케블러 섬유 등이 사용되고 있다 최근 국내에서도 개발된 래디얼 타이어는 카커스를 이루는 여러 장의 코드지를 어떤 방향으로 붙이는가에 따라 정해지는 개념이다. 이밖에 카본재 보강섬유 같은 첨단 소재를 카커스의 내부에 깔아 펑크를 막는 타이어가 개발되었으며, 내장된 반도체가 타이어의 교체 시기를 알려 주는 '스마트 타이어' 도 곧 시판될 전망이다. 

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