회전하는 바퀴

매머드의 재난을 통해 얻은 교훈

언젠가 나는 외발 자전거를 어린 매머드가 보는 앞에 방치해 놓는 실수를 저질렀습니다. 선천적으로 호기심이 ㅁ낳은 이 장난꾸러기 매머드는 재빨리 이것을 집어 타고 거리로 달려 나갔습니다. 나는 큰 소리로 멈추라고 외치며 쫓아가면서도 한편으로는 이 초보 운전자를 저렇듯 잘 도망칠 수 있게 하는 회전바퀴의 탁월한 안정성에 놀라움을 금치 못했습니다.

매머드는 금방 자전거 타는 일에 싫증을 내고 그만 내리고 싶은 눈치였지만 이미 전속력으로 돌고 있는 바퀴가 쉽게 멈출 것 같지는 않았습니다. 바로 그 때 외발 자전거는 야트막한 언덕 꼭대기에 이르렀는데 겁에 질린 매머드는 스스로의 힘으로는 어떻게 하지 못하고 마치 눈덩이 구르듯이 그대로 언덕 아래로 달려 내려갔습니다. 재수 없이 자전거에 스친 것들은 모두 순식간에 거꾸러져 버렸습니다.

여기저기 널려 있는 물건들을 밟으며 언덕을 달려 내려가면서 문득 어디까지 보험으로 처리할 수 있을지 걱정되었습니다. 그때 연못 속에 처박혀 멍하니 앉아 있는 매머드가 보였습니다. 그의 짧은 모험은 끝났지만 외발 자전거에 다가가기 위해서는 잠시 더 기다리지 않으면 안 되었습니다. 진흙탕 속에 거꾸로 처박히긴 했지만 바퀴가 아직도 힘차게 돌면서 바퀴에 묻은 진흙을 멀리까지 튀기고 있었기 때문입니다.

 

세차 운동

세차 운동은 회전하고 있는 물체에서 일어나는 신기한 운동이다. 만약 회전하고 있는 자전거 바퀴의 축을 잡고 바퀴를 돌려 보면 그 효과를 금방 알 수 있을 것이다. 바퀴는 돌리려고 하는 방향으로 가지 않고 오히려 그 직각 방향으로 움직이는데, 이것은 바퀴에 세차 운동이 일어나기 때문이다.

세차 운동은 회전하고 있는 바퀴를 쓰러지지 않고 똑바로 설 수 있도록 해준다. 우리는 자전거를 탈 때 의식하지는 못하지만 세차 운동을 이용하고 있다. 자전거가 쓰러지려고 하면 앞바퀴를 조금씩 틀어주는데, 이때 세차운동이 일어나서 자전거가 똑바로 서게 돼 계속해서 자전거를 탈 수 있는 것이다.

세차 운동의 힘은 바퀴의 회전이 빠르면 증가하고, 느리면 감소한다. 그래서 느리게 움직이는 자전거를 타는 것이 더 어렵다. 정지해 있는 자전거 위에서 똑바로 앉아 있는 것은 세차 운동과는 관계가 없다. 이것은 단지 균형을 잡는 기술의 문제일 뿐이다.

 

관성

시동이 걸리지 않는 차를 뒤에서 밀어본 적이 있다면 관성의 효과를 체험했을 것이다. 정지해 있는 차를 움직이려면 처음에는 매우 큰 작동력이 필요하지만 일단 움직이기 시작하면 밀지 않아도 얼마 동안은 계속 움직이고 운이 좋으면 시동이 걸리기도 한다.

물체를 밀어서 움직일 때에는 항상 관성이 문제가 된다. 관성은 속도 변화에 대한 물체의 저항이며 속도가 제로일 때에도 작용한다. 모든 물체는 관성을 가지고 있으며 그 크기는 질량에 비례한다. 즉 물체의 질량이 크면 클수록 관성도 크다.

회전하는 바퀴의 경우에는 관성은 질량뿐만 아니라 질량의 분포에 따라서도 크기가 달라진다. 질량이 테두리에 집중되어 있는 바퀴는 중심에 몰려 있는 바퀴보다도 큰 관성을 갖는다. 이것은 같은 질량을 갖는 두 바퀴에서도 관성이 다를 수 있음을 뜻한다. 어떤 기게에서는 관성을 이용하는 바퀴가 쓰이기도 하는데 이때 속도의 변화에 대해 최대한의 저항을 주려고 바퀴의 테두리를 무겁게 하거나 두텁게 만든다.

 

원심력

어떤 물체가 원운동을 할 때는 계속해서 운동의 방향을 바꾼다. 관성의 작용으로 물체의 모든 운동은 속도 뿐만 아니라 방향이 바뀔 때에도 저항을 받는다. 그러므로 물체가 원 궤도를 벗어나 자유롭게 되면 그 순간 물체는 직선운동을 하게 된다.

이것을 원의 입장에서 살펴보면 원 운동을 하는 물체는 항상 중심으로부터 바깥쪽으로 멀어지려고 하는 힘이 작용하고 있다. 이것을 원심력이라고 하는데 외발 자전거에 붙어 있는 진흙처럼 원 운동을 하는 모든 물체는 이 힘을 받는다. 물체가 빨리 움직일 수 있도록 원심력은 더 커진다.

기계에서 원심력을 사용하는 경우는 물체를 바깥쪽으로 던질 때다. 가장 간단한 예는 원심 탈수기이다. 탈수기에서 세탁물을 넣은 원통을 회전시키면서 세탁물에 스며 있던 물이 원심력에 의해 밖으로 빠져나간다. 그밖에 많이 쓰이는 것으로 캐치와 래칫이 있는데 이것들은 갑작스러운 움직임에 의해 생기는 원심력을 이용해서 물체를 움직이거나 멈추게 한다.