⚙️"오르막길의 과학" 자전거 기어 원리, 토크와 전기 자전거 작동 방식

독자님들 안녕하세요? 🍎Macultist입니다! 자전거를 타다 보면 평지에서는 무거운 기어(고단)를 밟고, 오르막에서는 가벼운 기어(저단)로 바꿔 밟는 것이 습관처럼 몸에 익어 있습니다. 그런데 혹시 이 기어 조작이 어떤 과학적 원리로 우리의 다리 힘을 변환시켜 주는지 생각해 본 적 있으신가요? "지금까지 독자님들은 기어가 그냥 '힘들면 가볍게, 빠르면 무겁게' 바꾸는 장치라고만 생각하셨다면, 그 속에 숨겨진 '토크(회전력)'와 '속도'의 공학적 등가교환 법칙을 모르고 계셨던 겁니다!" 자전거의 변속기는 운전자가 원하는 환경에 맞춰 페달링의 효율을 극대화해 주는 단순하면서도 천재적인 기계 시스템입니다. 오늘 이 포스팅을 통해 자전거 기어(변속기)가 작동하는 기본 원리부터, 오르막길에서 기어를 낮춰야 하는 이유인 토크의 과학, 그리고 최근 대중화되고 있는 전기 자전거(PAS, 스로틀)의 구동 방식까지 명쾌하게 파헤쳐 드리겠습니다. 이 원리를 알면 자전거를 탈 때마다 여러분이 곧 엔지니어가 된 듯 기어를 조작하는 즐거움을 느끼게 될 것입니다.

 

자전거 기어(변속기)의 기본 원리

자전거 기어 시스템은 '앞쪽 체인링(크랭크)'과 '뒷바퀴 스프라켓(코그)'이라는 두 가지 톱니바퀴 세트로 구성됩니다. 기어비는 앞 체인링의 톱니 수와 뒤 스프라켓의 톱니 수의 비율로 결정됩니다. 변속기(Derailleur)는 이 체인을 움직여서 이 두 톱니바퀴 세트 중 어떤 것을 연결할지 결정하는 역할을 합니다. 가장 기본적인 원리는 '톱니바퀴의 크기 차이'를 이용하는 것입니다. 운전자가 앞쪽의 큰 체인링과 뒤쪽의 작은 스프라켓을 연결하면, 페달을 한 번 돌릴 때 뒷바퀴가 가장 많이 회전합니다. 이것이 '고단(高段) 기어'로, 평지나 내리막에서 속도를 내는 데 유리합니다. 반대로 앞쪽의 작은 체인링과 뒤쪽의 가장 큰 스프라켓을 연결하면, 페달을 한 번 돌릴 때 뒷바퀴 회전 수는 줄어들지만, 힘은 가장 적게 듭니다. 이것이 '저단(低段) 기어'로, 오르막길을 오르거나 출발할 때 사용합니다.

토크: 오르막길에서 기어를 낮추는 이유

오르막길을 만났을 때 기어를 낮추는 행위는 공학적으로 '토크(Torque, 회전력)를 얻고 속도를 포기하는' 선택입니다. 자전거에서 토크는 페달을 밟는 힘이 뒷바퀴를 돌리는 회전력으로 변환되는 정도를 의미합니다. 오르막길에서는 중력을 거슬러 올라가야 하므로 큰 힘, 즉 높은 토크가 필요합니다. 앞쪽 기어(체인링)는 작게, 뒤쪽 기어(스프라켓)는 크게 연결하는 저단 기어의 원리를 다시 살펴보면, 이는 기어비가 낮아져 페달을 가볍게 돌릴 수 있게 해줍니다. 마치 지렛대의 원리처럼, 페달을 여러 번 돌리는 대신 한번 돌릴 때 바퀴에 전달되는 힘(토크)은 극대화됩니다. 즉, 기어를 낮춘다는 것은 페달을 힘들게 꾹 누를 필요 없이 '가볍고 빠르게' 돌리는(케이던스) 방식으로 바꿔서, 지속적인 힘을 안정적으로 바퀴에 전달하여 오르막을 정복하기 위함입니다.

전기 자전거(PAS, 스로틀)의 작동 방식

최근 인기가 높아지는 전기 자전거는 '배터리와 모터'의 힘을 더해 자전거의 효율을 한층 끌어올립니다. 전기 자전거의 구동 방식은 크게 두 가지로 나뉩니다. 첫 번째는 'PAS(Pedal Assist System, 페달 보조) 방식'입니다. 이 방식은 라이더가 페달을 밟을 때 발생하는 토크나 회전 속도를 센서로 감지하여, 라이더의 힘에 비례하여 전기 모터가 힘을 보태주는 방식입니다. 페달을 밟아야만 모터가 작동하므로 일반 자전거와 비슷한 운동 효과를 얻으면서 언덕을 쉽게 오를 수 있습니다. 두 번째는 '스로틀(Throttle) 방식'입니다. 이는 모터사이클처럼 손잡이에 달린 레버나 버튼을 조작하여 라이더의 페달링 없이도 모터의 힘만으로 바퀴를 직접 구동하는 방식입니다. 스로틀 방식은 편리하지만, 국내에서는 면허가 필요하거나 법규상 운행이 제한될 수 있습니다. 대부분의 전기 자전거는 일반 자전거처럼 기어 변속기가 장착되어 있어서, 전기 모터의 힘에 기어의 토크 변환 과학까지 더해져 최소한의 노력으로 최대의 속도와 효율을 얻을 수 있습니다.

 

결론

오늘 우리는 자전거 기어 변속기가 톱니바퀴의 비율을 바꿔 페달링의 효율을 조절하는 기본 원리부터, 오르막에서 꼭 필요한 토크의 과학, 그리고 전기 모터의 도움을 받는 PAS와 스로틀 방식의 차이까지 알아보았습니다. 자전거의 기어는 운전자가 지형의 변화에 가장 적합한 회전력(토크)을 선택할 수 있도록 해주는 정교한 기계 장치입니다. 이제 오르막길을 만나 기어를 조작하실 때, 여러분이 곧 기어비를 조절하는 유능한 엔지니어가 되었다고 생각하며 힘차게 페달을 밟아 보시기를 기대합니다! 독자님들의 모든 라이딩이 바람처럼 가볍고 즐겁기를 바라며 이만 글을 줄이겠습니다.