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ABS에서 수소전기차까지 <자동차에 숨은 과학 원리>

 

안녕하세요! 내차사랑 블로그의 인디:D입니다~
우리가 매일 타는 자동차. 더 이상 신기할 것이 없어 보이지만, 사실 자동차는 인류 과학의 결정체입니다. 인류의 삶을 혁신적으로 변화시키며 진화를 거듭해온 자동차에는 수많은 과학 원리가 숨어 있는데요. ABS에서 수소전기차까지, 자동차 속 과학 원리를 인디:D와 함께 알아봅니다.

 


자동차는 어떻게 움직이는 걸까?

 


 

 

‘스스로 움직인다’는 이름을 가진 자동차. 그런데 자동차는 어떻게, 스스로, 움직이는 것일까요?

‘원동기와 조향장치를 구비하고 그것에 승차해서 지상을 주행할 수 있는 차량’이라고 정의되는 자동차는 디젤, 전기, LPG, 가솔린 등 다양한 연료를 통해 엔진, 동력 전달 장치, 바퀴를 통해 움직이게 됩니다. 자동차의 시동을 걸면 배터리로부터 전기가 공급되어 스타팅 모터가 엔진의 플라이휠(flywheel)을 돌리게 되는데요. 이 때 연결된 크랭크축, 피스톤, 밸브가 같이 움직이며 자동차에 필요한 동력을 발생시킵니다.

 

먼저 엔진은 실린더 내부에서 연료와 산소를 연소시켜 고압·고온으로 된 가스의 팽창력을 통해 피스톤을 움직이게 하는데요. 위 아래로 움직이는 피스톤의 왕복운동이 크랭크축에 연결된 커넥팅 로드(connecting rod)에 의해 회전 운동으로 전환되게 됩니다. 이때 발생하는 배기가스는 CO, HC, NOx의 3가지 오염물질을 제거하는 삼원 촉매 전환 장치를 거쳐 머플러를 통해 대기 중으로 방출하게 되며, 엔진에서 발생한 열은 냉각수를 통해 라디에이터에서 방출시켜줍니다.

 


첨단 과학 기술의 총집합, F1

 

 

F1 경주 차는 자동차를 넘어 하나의 ‘머신’(machine)으로 분류될 만큼 최첨단 과학 기술이 집약된 산물입니다. 세련된 디자인, 화려한 장식을 하고 있지만, 사실 F1 경주차의 발전은 오직 속도에 맞춰져 있습니다. 이를 위해 엔진은 알루미늄 합금, 티타늄처럼 가볍고 열에 강하며 강도가 높은 재료로 만들어지며, 공기의 힘을 이용하기 위해 앞뒤로 날개를 달게 됩니다. 경주 차가 최대 시속 360 km로 달리기 시작하면 각 날개에 1톤이 넘는 무게가 전해지는데, 그 힘에 의해 차가 붕 뜨지 않고 지면에 밀착될 수 있는 것이죠. 또 이렇게 달리면서  방향 전환, 정지 등을 해야 하기 때문에 F1 타이어는 일반 타이어보다 점성이 높고 무른 재질의 고무로 만들어집니다.

 

 


ABS는 어떻게 작동할까?

 

 

겨울이 되면 눈길이나 빙판길에서 미끄러지는 사고가 발생하기 쉬운데요. 미끄러운 표면에서는 타이어의 접지력이 떨어지기 때문이죠. 급제동할 때 타이어에는 순간적으로 잠김(Lock)현상이 발생해 자동차는 조향력과 제동력을 상실하게 되는데요. 이 상태에서 주행속도가 유지되면 지면 위에서 미끄러져 큰 사고로 이어질 수 있습니다. 자동차가 급제동하거나 회전하며 미끄러질 때 자동으로 브레이크를 초당 수 십 번 반복적으로 작동시켜 제동거리를 줄여주는 안전장치가 바로 ‘ABS(Anti lock Brake System)’ 시스템인데요. 정지된 물체가 움직이기 시작할 때 가장 큰 마찰력이 작용하는 최대 정지마찰력이 발생하게 되는데, 이를 반복적으로 발생시켜 마찰력을 극대화함으로써 제동거리를 줄여주는 원리가 적용돼 탑승자의 생명을 지켜주고 있는 것입니다.

 

 


친환경 자동차 과학 기술의 끝, 수소전기차

 

 

물과 수증기만 배출하는 친환경 자동차의 결정체, 수소전기차가 미래 자동차로 각광받고 있는데요. 미세먼지가 심각한 사회 문제로 부각되면서 이제 단지 성능과 디자인에만 집중할 것이 아니라 자동차의 친환경적 연료 대체에 대해 고민하게 된 시대에 꼭 필요한 자동차라고 할 수 있습니다.

 

수소와 산소의 화학적 작용으로 생산된 전기로 모터를 구동하는 방식의 수소전기차는 수소차와 전기차의 장점을 따 만든 자동차로, 엔진 대신 수소탱크, 수소와 산소가 화학반응을 통해 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치인 스택(stack), 모터, 배터리 등으로 구동됩니다. 전기에너지를 운동에너지로 바꾸는 방식은 전기차와 같지만, 전기를 충전하지 않고 자체 생산한다는 점에서 전기차와 다르죠. 수소전기차는 6.33㎏의 수소를 충전해 609㎞를 주행할 수 있으며, 충전 시간은 5분 내외로 연비도 매우 뛰어납니다.

 

수소폭탄을 떠올리며 폭발 위험이 있지 않을까 염려할 필요도 없습니다. 수소연료탱크는 철보다 강도가 10배 이상 높은 탄소섬유로 만들어져 총으로 쏴도 쉽게 터지지 않으며, 연료탱크에 불이 붙었다 해도 워낙 가벼워 하늘로 솟구칠 가능성이 높기 때문입니다.

 

 


오늘은 인디:D가 자동차 속에 숨겨진 과학 원리에 대해 소개해 드렸는데요. 매일 타는 자동차라 잠시 잊고 있었지만, 사실 자동차는 인류의 가장 위대한 발명 중 하나라는 사실을 새삼 깨닫게 된 시간이었습니다. 인디:D는 다음에 더 유익한 내용으로 찾아올게요~

 

 

 

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