동력전달 장치

[출처]

구름발생실험기 – 과학나라

바퀴가 바로 연결된다면 주행을 위해 시동을 켜고, 정지를 위해 시동을 꺼 야하는 상황이 생길지 모릅니다. 이렇게 된다면 몹시 불편하겠죠?

기관은 작동하고 있어도 동력이 바퀴에 전달이 될 때와 그렇지 않아야 할 때가 있습니다. 동력전달장치란 이러한 것을 조절해 주는 장치입니다.

그리고 동력전달 장치가 하는 일이 또 하나 있는데, 이를 위해 다음과 같 은 경우를 생각해 봅시다. 여러분은 혹시 모터로 작동되는 모형 탱크와 자 동차를 가지고 놀아본 경험이 있나요? 모형 탱크와 자동차는 모두 모터를 사용한다는 공통점이 있습니다. 하지만 주행능력을 놓고 보면 탱크는 경사 진 면은 잘 가지만 속도가 빠르지 못하고, 자동차는 속도는 빠르지만 경사 진 면을 잘 올라가지 못합니다. 즉 동력전달 장치는 기관의 동력의 크기는 같지만 그 힘을 어떻게 쓸 것인지를 결정하는 역할을 합니다.

가) 플라이휠

기관의 혼합기체가 실린더에서 폭발할 때 피 스톤을 세차게 밀어냅니다. 이후에는 다음 폭 발이 있을 때까지 이전 폭발로 얻은 에너지 를 사용하면서 돌아갑니다. 그런데 폭발하기 전에 공기를 압축하는 과정이 존재하고, 이 때문에 압축하는 동안 피스톤은 느려집니다.

하지만 또 다시 폭발이 일어나면 피스톤은 또다시 빨라지게 됩니다. 이렇 게 되면 바퀴에 전달되는 동력이 일정하지 않아 바퀴의 회전속도가 매우 심하게 변할 것입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 플라이 휠이라는 장 치가 필요합니다.

플라이휠은 묵직한 바퀴처럼 생긴 원판입니다. 기관에서 발생한 에너지는 플라이휠을 돌리는 데 사용이 됩니다. 플라이휠은 매우 무겁기 때문에 회 전을 조금만 주어도 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 즉 피스톤이 압축 하는 과정에서 속도가 느려지더라도 플라이휠의 도움을 받는다면 압축을 원활히 수행할 수 있게 되는 것입니다. 플라이휠에 적용된 과학 원리는 바 로 이러한 회전 관성입니다. 관성이란 물체가 자신의 운동 상태를 유지하 려는 성질로, 무거운 물체일수록 관성은 커집니다. 플라이휠은 무겁기 때 문에 회전 관성이 매우 크고, 따라서 한 번 회전을 하면 좀처럼 세우기가 어렵습니다. 플라이휠은 우리 생활 주변에서도 자주 볼 수 있습니다. 급격 하게 회전을 하면 안 되는 회전문에도 플라이휠이 장착되어 있습니다.

나) 변속기

같은 힘으로 무거운 물체를 들어 올릴 때는 지레와 축바퀴를 사용합니다.

수동변속기 차량의 경우 오르막길에서 정차했다가 다시 출발할 때 종종 시동이 꺼지는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 현상은 정지했다가 출발할 때 는 많은 힘이 필요한데, 기관에서 발생하는 에너지만으로는 부족하기 때문 에 일어납니다. 변속기는 기관에서 나오는 에너지를 도로의 사정에 맞게 속도와 힘을 배분해 줍니다.

변속기를 만들 때 고려해야 하는 것은 토크(torque)입니다. 토크란 힘을 주어 회전을 할 때 반지름과 주어진 힘의 곱이 되는 것을 말합니다. 위에 서 설명한 지레의 경우 지레가 평형을 이루었다면 지레의 양쪽의 회전력 이 같기 때문입니다. 그렇다면 힘이 약할 때 토크를 크게 하려면 어떻게 해야 할까요? 간단합니다. 반지름을 크게 하면 됩니다. 드라이버의 손잡이 가 유난히 크고, 문의 손잡이는 문이 돌아가는 축에서 멀리 존재하는 것은 바로 이 때문입니다.

기관의 일률을 높이기 위해서는 가속페 달을 밟아 연료를 많이 분사해야 합니 다. 그런데 이것만으로는 한계가 있습 니다. 따라서 연료의 사용을 적게 하고 기관에 무리를 주지 않는 방법으로 동 력을 전달해야 합니다. 기관에서 나오 는 출력은 (회전력)×(각속도)로 계산되 기 때문에 각속도를 줄여주면 회전력을 키울 수 있습니다. 이러한 목적으로 쓰이는 것이 바로 변속기입니다. 왼쪽

느린 대신 큰 힘을 낼 수 있고, 반지름이 작은 원통은 속도가 빠른 대신 회전력은 작습니다. 변속기에는 이처럼 복잡한 원리가 숨어 있습니다.