바퀴의 발명에서 바퀴없는 탈 것 까지 교통의 발달

2011년 8월 23일 KTX를 타고 서울에서 부산까지 야구 경기를 관람하러 내려갔습니다. 신나게 야구 경기를 관람하고, 시간이 너무 늦어 하룻밤을 자고 24일 새벽 기차를 타고 서울로 올라왔습니다. 아빠가 저에게 옛날에는 며칠을 걸려 다니던 길을 몇 시간 만에 갈 수 있다니 놀랍지 않느냐고 물어 보셨습니다. 자동차나 기차의 발달로 우리는 예전에 비해 훨씬 자유롭게 다닐 수 있게 되었습니다. 아빠의 질문을 받고 교통이 어떻게 발달 되었는지 궁금해서 교통의 발달에 대해 알아보았습니다.

1. 교통 발달의 첫 걸음 - 바퀴의 발명

사람들은 어떻게 하면 무거운 짐을 쉽게 운반 할 수 있을까 고민을 하다가 마침내 ‘굴림대’를 찾아냈습니다. 굴림대는 통나무처럼 길고 둥근 나무토막을 여러 개 깔아놓은 것입니다. 피라미드를 지을 때도 굴림대가 이용되었습니다. 굴림대를 이용하면 훨씬 작은 힘으로 짐을 옮길 수 있는데, 그 이유는 ‘마찰력’이 작아지기 때문입니다. 마찰력은 물체와 물체가 닿아 있을 때 접촉면에서 물체의 운동 방향과 반대로 일어나는 힘, 즉 운동을 방해하는 힘입니다. 마찰력은 두 물체의 접촉면이 울퉁불퉁할수록, 물체의 무게가 무거울수록 커집니다. 굴림대를 이용하면 굴림대가 돌면서 물체가 미끄러져 나아가므로 마찰력이 크게 줄어듭니다.

하지만 굴림대는 물체가 지나가면 뒤에 남은 굴림대를 다시 앞으로 옮겨야 하고, 앞에 방해하는 물체가 있으면 지나가는데 힘이 많이 들었습니다. 그래서 더 편한 수단을 찾다가 드디어 바퀴를 발명하게 되었습니다. 바퀴는 기원전 3500~3200년경 메소포타미아에서 전차에 처음으로 사용되었습니다. 처음에는 통나무를 둥글게 잘라 만든 단순한 것이었습니다. 그리고 바퀴와 더불어 수레가 발명됨으로서 사람들은 예전에 비해 훨씬 멀리, 쉽게 이용할 수 있었습니다. 하지만 수레는 동물들의 힘을 이용하다 보니 불편한 점이 많았습니다. 사람들은 동물대신 수레를 끌 수 있는 것을 연구하다가 드디어 기계의 힘을 빌리게 되었습니다.

2. 사람의 발에 날개를 달다 – 자동차의 발달

기계의 힘으로 움직인 최초의 자동차는 프랑스의 니콜라 조제프 퀴뇨가 1770년에 만든 증기 자동차입니다. 와트의 증기기관을 이용한 최초의 3륜 증기 자동차였지만 부피가 크고 속도가 느려서 상용화에는 실패하였습니다. 하지만 성능을 개선시킨 증기 자동차가 만들어져 1820년대부터 약 20년 동안 많이 사용되다가 1860년대 들어 여러 가지 이유로 쓰이지 않게 되었습니다.

다음으로 전기자동차가 19세기 중반에 나왔습니다. 전동기를 이용한 최초의 전기 자동차는 1873년에 스코틀랜드의 로버트 데이비슨이 만들었습니다. 오랫동안 전기 자동차가 관심을 끌지 못한 까닭은 납축전지를 충전하는데 오랜 시간이 걸렸고, 한 번의 충전으로 이동할 수 있는 거리가 짧았으며, 속도도 느렸기 때문이라고 합니다. 지금은 전지의 발달과 환경 오염을 방지하기 위해 전기 자동차가 상용화되고 있습니다.

지금 우리가 가장 많이 타는 자동차는 가솔린 자동차입니다. 가솔린 자동차의 심장이라고 할 수 있는 가솔린 기관은 독일의 니콜라우스 오토가 1877년에 처음 발명하였습니다. 오토가 만든 ‘4행정 사이클 기관’은 ‘흡입->압축->폭발->배기’의 4단계 과정이 일어나는 동안 피스톤이 두 번 왕복하는 기관입니다.

이런 가솔린 기관의 발명으로 독일의 카를 벤츠가 1886년 첫 번째 가솔린 자동차를 만들었습니다. 벤츠가 만든 ‘벤츠 페이텉트 모토바겐’은 시속 15KM의 속도로 달릴 수 있었고, 무게도 300Kg으로 가벼웠습니다.

벤츠보다 앞서 가솔린 기관을 이용한 오토바이를 개발한 고틀리에프 다임러가 1887년 가솔린 기관을 장착한 네 바퀴 자동차를 개발하여 벤츠와 경쟁을 하였습니다. 이 둘은 1926년 회사를 합쳐 상호를 ‘Mercedes Benz’로 하여 지금까지 고급승용차의 대표 상표가 되었습니다.

하지만 당시의 자동차는 무척 비싸 아무나 탈 수가 없었습니다. 이때 미국의 헨리 포드가 우리 회사의 노동자들도 탈 수 있는 값싼 자동차를 만들겠다며 벨트 컨베이어 방식의 대량 생산 체제를 구축하여 포드T 모델을 만들어 자동차의 대중화가 시작되었습니다.

이렇게 발달을 계속한 자동차는 이제 우리에게 없어서는 안 될 소중한 물건이 되었지만 한편으로는 자동차에서 나오는 이산화탄소가 지구온난화의 주범이 되어 환경에 커다란 영향을 주었습니다.

3. 대량 수송의 선구자 – 기차

자동차는 사람의 발에 날개를 달아주었지만 한꺼번에 많은 사람이나 짐을 운반하기에는 어려운 점이 많습니다. 비록 철로가 놓인 길이 있어야 하지만 기차는 우리들에게 대량 수송의 길을 열어준 고마운 친구입니다.

초창기 기차는 증기 기관차입니다. 최초의 증기기관차는 1804년 영국의 리처드 트레비식이 발명하였습니다. 하지만 너무 무거워 널리 쓰이지 못하였고, 1825년 조지 스티븐슨이 개발한 ‘로코모션호’가 미국 캘리포니아 주의 ‘스탁톤-달링톤’ 구간을 약 90톤의 탄수차를 끌고 시속 18Km로 운행함으로써 실용화되기 시작하였습니다.

초기의 전기 자동차는 실패했지만 전기 기관차는 발전을 하였습니다. 1879년 독일의 지멘스사가 고안하였고, 1881년 독일에서 처음으로 운행을 시작했습니다. 전기 기관차는 선로 위의 가선으로부터 집전장치로 전기를 끌어들여 전동기를 회전시키고, 이것을 동륜에 전달하여 달리게 되는 방식입니다. 증기기관차에 비해 힘이 좋고, 연기가 나지 않고 에너지 효율이 높은 장점이 있지만, 전기 시설물을 설치하는데 비용이 많이 드는 단점도 있습니다.

다음은 디젤 기관차입니다. 1892년 독일의 루돌프 디젤에 의해 디젤엔진이 발명되었으며, 최초의 디젤 기관차는 1912년에 등장했습니다. 디젤 기관차는 동력을 만드는 발전장치를 장착하고 있어 외부의 동력 공급 없이 장거리를 운행할 수 있는 장점이 있습니다. 또한 증기 기관차에 비해 열효율이 4배까지 크고 가속이 쉬워 빠르게 달릴 수 있습니다.

4. 바퀴 없이 떠서 달린다 – 호버크래프트와 자기부상열차

바퀴는 교통의 발달을 가져온 인류 역사 상 가장 큰 발명 중의 하나였습니다. 하지만 기술의 발달은 우리에게 바퀴 없는 탈 것을 만들게 하였습니다.

1) 호버크래프트

호버크래프트는 선체에서 계속 분사되는 공기에 의해서 선체의 아래 부분과 지면, 수면, 흑은 다른 표면과의 사이에 형성된 압축 공기의 힘으로 떠 있도록 설계된 공기부양선을 의미합니다. 이 때 작용 반작용의 법칙이 적용됩니다.

호버크래프트는 영국의 크리스토퍼 시드니 코커럴이 1959년에 만들었습니다. 속력이 배보다 4~5배나 빠르고, 바다와 육지를 모두 다닐 수 있고 항구 등의 항만 시설이 필요 없는 것이 장점입니다. 비록 배와 자동차에 밀려 많이 사용되지 못했지만, 앞으로는 많이 사용될 것으로 보입니다.

2) 자기부상열차

자기부상열차는 자석끼리 미는 힘과 끌어당기는 힘을 이용해서 열차를 선로에서 띄워서 움직이는 열차입니다. 공중에 떠서 달리기 때문에 열차에는 바퀴가 달려있지 않습니다. 공중으로 떠서 달리다는 점 때문에 소음과 진동이 아주 적어서 승차감이 좋습니다. 또한 열차가 레일을 감싸는 구조라서 열차가 탈선할 위험이 거의 없으며, 레일 구조물 건설비가 적게 들고, 유지보수 비용 또한 저렴하다고 합니다. 자기부상열차는 한번 전기가 통하면 계속 전류가 흐르는 초전기전도 자석을 쓰기 때문에 에너지가 절약됩니다.

자기부상열차가 움직이기 위해서는 자기의 원리를 이용합니다. 코일에 흐르는 전류의 흐름을 계속 반전시키면 자기장이 바뀌면서 끌려가듯이 가려고 하는 방향으로 움직이게 됩니다. 여기에는 플레밍의 왼손법칙이 적용됩니다. 멈출 때에는 전기브레이크와 에어브레이크, 마찰브레이크 등을 씁니다.

교통의 발달에 대해 알아보는 과정에서 많은 사람들이 기술의 발달을 위해 애를 썼고, 또한 이제는 환경에 영향을 주지 않는 기술을 발명하기 위해 노력하고 있다는 것을 알게 되었습니다. 그리고 바퀴를 발명하여 큰 발전을 이루었는데, 이제는 거꾸로 바퀴가 없는 교통수단이 나오고 있습니다. 지금 꼭 필요하다고 생각되는 것이 반드시 그렇지 않을 수도 있다는 생각이 새로운 발명의 시작인 것 같습니다. 모든 사물을 자세히 관찰하고, 다시 한 번 생각하고 또 생각 해야겠구나 하고 결심하였습니다.

* 참조

과천과학관 발명과학교실 수업 자료

Science, The Definitive Visual Guide, Dorling Kindersley Limited.

교통의 과학, 신광복 지음, 동아사이언스

삼성화재교통박물관, 과천과학관의 전시물

장제우 나누리기자 (서울원명초등학교 / 6학년)

남윤성 성남신기초등학교 / 6학년 2011-10-09 13:15:04 | 추천!! 와~ 하나의 완벽한 보고서를 보는 것 같네요. 바퀴의 발명에서부터 자석의 힘으로 이동하는 자기부상열차까지 한눈에 볼수 있어서 좋네요! 공부 잘하고 갑니다~ 정최창진 서울교동초등학교 / 6학년 2011-10-09 14:50:33 | 와우~~~ 장제우 기자님, 과학의 여러분야에 관심이 많군요. 미생물에 전문인 줄 알았는데, 이번에는 자동차의 발달과정까지,,,, 놀랍습니다. 기사 추천도하고 갑니다. 윤상일 서울논현초등학교 / 5학년 2011-10-16 12:52:30 | 바퀴의 발명이 많은 변화를 가져왔네요. 장제우 서일중학교 / 1학년 2011-10-17 16:42:38 | 남윤성 기자님, 정최창진 기자님, 윤상일 기자님 감사합니다. 관심 있으시면 삼성화재 교통박물관에 들러보세요.