자전거는 어떻게 넘어지지 않고 설 수 있을 까요?
자전거가 넘어 지지 않고 설 수 있는 이유가 원심력과 캐스터 효과 때문 이라고 하는데요. 이게 무엇인지 조금 쉽게 설명 부탁 드립니다.
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.원심력은 회전하는 물체에서 발생하는 힘으로, 회전 중인 자전거 바퀴도 회전하면서 발생합니다. 바퀴의 중심에서 벗어난 물체는 원주위를 따라 회전하려는 성질이 있으며, 이러한 힘에 의해 자전거는 일종의 안정성을 갖추게 됩니다. 따라서, 자전거가 빠르게 움직이면서 바퀴가 회전함에 따라 원심력이 작용하여 균형을 잡아주게 됩니다.
또한, 캐스터 효과는 전방향으로 된 회전축(스티어링 축)과 지면 사이의 각도를 의미합니다. 자전거의 전면부에는 전방향으로 된 회전축이 있고, 그 주위에는 휠이 달려 있습니다. 스티어링 휠이 좌우로 움직이면, 그 각도에 따라 전체 자전거가 좌우로 기울게 되고, 이때 캐스터 효과에 의해 휠의 방향과 기울어진 자전거의 방향이 다르게 됩니다. 이런 상황에서 스티어링 휠을 틀면, 바퀴의 회전 방향이 기울어진 자전거 방향의 반대로 움직이게 되고, 이로 인해 자전거는 앞으로 나아가면서도 안정적으로 균형을 유지할 수 있게 됩니다.
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
자전거의 바퀴는 중심축 주위를 회전하는 원반입니다. 원반의 질량이 중심축과 수직축 사이의 거리보다 멀리 떨어져 있을수록 안정성이 높아집니다. 따라서 바퀴가 크고 무게가 집중된 부분이 중심축과 멀리 떨어져 있어서 안정성이 높아집니다. 자전거의 중심은 높이가 낮은 부분에 위치해 있습니다. 이러한 위치는 중심축 주위의 질량이 더 넓게 분포되어있기 때문에 안정성이 높아집니다.
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.
○ 캐스터 효과, 운전대 축이 몸 쪽으로 기운 이유
캐스터 효과는 자전거가 한쪽으로 기울면 그 방향으로 앞바퀴가 꺾이는 현상이다. 앞바퀴를 좌우로 조작하는 운전대와 바퀴 중심을 지나는 연장선이 앞바퀴가 지면과 만나는 곳보다 앞에 있을 때 생기는 효과다. 자전거를 타고 가다 넘어지려 할 때 그 방향으로 운전대를 틀어서 균형을 잡았다면 사람이 직접 캐스터 효과를 시행한 셈이다. 이삼현 연세대 물리학과 교수는 “손바닥에 막대를 세워 균형을 잡을 때 쓰러지려는 쪽으로 손바닥을 움직이면 다시 서는 것과 같은 원리”라며 “캐스터 효과는 손바닥이 알아서 움직이는 것”이라고 비유했다.○ 바퀴 작아지면 약해지는 ‘자이로스코픽 효과’
자이로스코픽 효과도 자전거가 쓰러지지 않도록 해준다. 이 효과는 바퀴처럼 회전하는 물체에서 발생하는데 움직이는 속도가 빠르고 바퀴가 클수록 잘 일어난다. 동전이나 훌라후프 링을 세워서 빠른 속도로 굴리면 앞으로 나간다. 동전이나 링은 굴러가다가 바로 쓰러지지 않고 한쪽 방향으로 기울면서 쓰러질 듯 말 듯 균형을 유지하게 된다. 자전거도 달리고만 있다면 잘 넘어지지 않는다. 속도가 붙은 자전거에서 손을 떼어도 일정 시간 넘어지지 않고 가는 원리다.안녕하세요. 박준희 과학전문가입니다.
자전거가 넘어지지 않는 이유는 앞으로 나가는 에너지가 자전거가 옆으로 넘어지려는 힘보다 강하기에 앞으로 나아가면서 넘어지지 않는 것입니다.
쉽게 이해할 수 있을거라고 봅니다.
감사합니다.
안녕하세요. 김민규 과학전문가입니다.
달리는 자전거는 말씀하신대로 넘어지지 않습니다.
두 바퀴가 계속 돌고 있는 원심력에 의해서 앞으로 갈려는 힘에 의해서 이기 때문이지요.
