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조회 수 4312 좋아요 237 댓글 5


자전거는 (타는 사람의) 기술과 마일리지의 영향이 절대적이라고 생각하는 편인데요.

그래도, 좀 궁금한게 있어서 한번 올려봅니다.

제가 물리학이라도 전공했으면 좀 나았을텐데...^^;;

'관성 모멘트' 라는 것에 대해서 궁금합니다.

네이버에서 찾아보니까, 이런 부분이 있더라구요

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회전하는 물체가 회전을 계속려는 성질인 회전 관성은 물체의 전체 질량과 질량 분포 상태에 따라 달라진다.
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위 그림에서 세개의 바퀴가 있습니다.

첫번째 바퀴가 올라운드용으로 많이 쓰이는 로우프로파일림이고

두번째는 스프린트에서 자주 쓰이는 하이프로파일

세번째는 TT 등에서 주로 쓰이는 디스크휠인데요.


제가 어렴풋이 알고 있기로는...로우림보다 하이림이 관성모멘트가 더 커서...한번 가속시키기가 어렵지, 일단 가속이 되면 속도 유지면에서 좋다고 알고 있었습니다.

근데, 저 글에 의하면 관성모멘트는 "질량의 분포상태"에 따라 달라지게 되는데,

중심축에서 멀수록 관성모멘트가 커지는데, 저 그림상으로는 중심축에서 림까지의 거리인 a는 로우림이 가장 멀죠.

그러면, 로우림이 관성모멘트가 가장 큰 것인가요?

아니면, 반대로 하이프로파일의 경우 b에 무게가 편중되어 있어서 림자체에 대한 무게배분이 가장 높으니까 관성모멘트가 더 클까요?

만약 이렇다면, 무게가 골고루 배분되어있는 디스크휠이 TT나 독주용으로 더 많이 쓰이는 건 어떤 이유에서일까요?


만약 로우림이 관성모멘트가 가장 크다면,
공기저항에 대한 에어로다이나믹한 디자인이 관성모멘트를 상쇄할 정도로 더 영향이 커서 2번이나 3번 휠이 가속에 유용하게 쓰이는 것일까요?



아마츄어가 취미활동으로 자전거를 타는데 별로 중요한 부분은 아니겠지만, 궁금해서 죽겠네요.^^;;
Comment '5'
  • ?
    정성관 2010.04.06 16:50
    [ skjung@kaist.ac.kr ]

    네이버의 설명 때문에 헛갈려 하시는 것 같습니다만, 네이버 설명도 맞습니다...
    하지만, 그 설명에서 언급하지 않은 가정이 하나 있습니다. '동일 질량을 갖는 물체일 경우'라는 조건입니다.
    즉, 동일 질량을 갖는 물체의 경우 회전 축에서 먼 쪽으로 질량이 분포되어 있다면 회전모멘텀이 크게 됩니다.
    궁금해 하시는 로우프로파일 림과 하이프로파일 림, 디스크 휠의 경우 무게자체가 다르기 때문에 동일한 비교가 안됩니다. ^^
    하이프로파일 카본림과 로우프로파일 알루미늄 휠이 동일한 무게라면 로우프로파일 휠이 관성모멘텀은 더 크겠죠.

    그런데, 여기서 문제가 하나 발생합니다..
    일반적으로 하이프로파일 카본림이 로우프로파일 알루미늄 휠보다 무게가 가볍다는 거죠.ㅡㅡ;
    그럼 회전성을 유지하기 좋다고 해서 하이프로파일 카본림을 골랐는데, 로우프로파일 알루미늄 휠보다 관성모멘텀이 작다면
    잘못 샀다는 얘기가 되는건데....이건 어쩐다죠???

    이제 고려해야할 사항은 두 가지 정도가 생각납니다.
    하나는, 미처 고려 못했던 공기역학적 측면일테고, 다른 하나는 운동역학 혹은 운동생리학적 측면으로 생각됩니다.
    후자는 저도 잘 모르는 부분인데다가 운동하시는 분들께서 다를 하시는 얘기니까 지속주가 중요한 경기에서는 속도 유지에 유리한 녀석이
    좋다는 가정을 받아들이고 넘어가야 할 것 같습니다.
    그러면 짚고 넘어갈 수 있는 부분은 전자의 공기역학적 측면이 남아있는데,
    휠이 회전하면서 진행할 때 진행방향 단면적은 동일한 크기의 휠에서는 큰 차이가 없을 테니,
    진행방향의 공기역학 측면은 큰 차이가 없을 것으로 가정하고 넘어가겠습니다.
    그러면 남는 것이 회전하는 휠에서의 공기 역학 측면일 텐데,
    휠에서 림부분은 회전시 표면에서의 저항이 존재하겠지만, 이는 상대적으로 미미합니다.
    (이걸 개선하기 위해 표면에 딤플 구조를 만든 휠들도 있는 것을 보면 아주 미미하진 않겠습니다만, 다른 요인에 비해 상대적인 얘기입니다.)
    휠의 다른 부분인 스포크에서의 저항, 이게 차이를 만드는 핵심 요인으로 생각됩니다.
    휠이 회전을 하면서 스포크는 지속적으로 공기를 가르게 되는데,
    주워들은 짧은 풍월로 말씀드리면 유체속에서의 저항(력)은 속도의 제곱에 비례하는 특성을 갖다고 합니다.
    (저항력이 속도의 제곱에 비례하므로 이 속도를 유지시키기 위한 에너지(파워)는 속도의 세제곱에 비례합니다.ㅡㅡ; )
    동일한 속도로 회전하는 휠에서 스포크의 림쪽 종단의 속도는
    하이프로파일 림의 경우보다 로우프로파일 림의 경우 (스포크 길이에 비례하여) 속도가 크게 됩니다.
    따라서, 로우프로파일 림의 경우보다 하이프로파일 림이 스포크가 짧고 따라서 이 스포크에 의해 생기는 공기 저항이 작게되어
    고속 주행성이 높아지게 됩니다. (스포크가 없는 디스크 휠의 경우 월등하게 줄일 수 있는 가능성이 생깁니다.)

    좀 길게 썼는데, 정리를 하면
    로우프로파일림, 하이프로파일림, 디스크휠의 고속 주행성을 결정짓는 원인은 일반적으로 생각하는 관성모멘텀의 영향보다는
    스포크 길이의 차이에 따른 유체저항이 주 요인으로 판단된다는 얘기입니다.

    * 제 전공 분야는 아니기에 정량적 척도로 말씀드리지 못하는 것은 양해 부탁드립니다. ^^
  • ?
    이민주 2010.04.06 17:36
    [ zoomini@gmail.com ]


    자전거 휠에 있어서 관성 모멘트가 큰 것이 꼭 장점만은 아닐 것 같습니다.

    그리고, 그 외의 측면까지를 고려한다면...
    역학적인 장점과 뽀대 이외의 나머지 모든 것이 단점일 수 있구요.
  • ?
    정성관 2010.04.06 18:59
    [ skjung@kaist.ac.kr ]

    주저리 써놓고선 잠시 다른 일 하면서 생각해 보니...
    과연 저 스포크 길이 차이로 인한 정량적 효과가 얼마나 될런지 참 궁금해 집니다.
    그렇다고 저걸 이론적으로 계산하거나 측정한다는 것도 저한테는 쓸데 없는 일인데...
    선수급이면 모르겠지만, 그렇지 않으면 그냥 속편하게 타는 것이 정신+육체 건강상 득이 될 것 같네요..ㅎㅎ
    날씨가 많이 풀렸습니다, 즐겁고 안전한 라이딩 즐기세요~
  • ?
    박준수 2010.04.07 17:05
    [ cyanic@쥐메일도트컴 ]

    예전에 도싸에서 역도부님께서 계산하신 내용을 보면, 공기 저항을 줄이는 것이 진리이죠.

    자세한 기억은 나지 않는데, 30km/h에서는 출력의 80%, 40km/h에서는 출력의 85%, 50km/h에서는 출력의 90%를 공기 저항을 돌파하는 것에 사용됩니다.

    어설프게 주워들었던 유체 역학을 생각해보면, 유체의 흐름에 대한 물체의 단면에 따라서 저항값이 많이 달라집니다.

    흔하게 보이는 물방울 형태의 에어로 헬멧을 생각하시면 되는데, 유체 흐름을 좋게 하여 와류를 방지하고 유체가 물체를 끌어당기는 힘을 상쇄시킵니다.

    이런 연유로 TT차의 프레임 단면을 보면 물방울 처럼 하려도 노력을 많이 하지요. 헤드튜브라던가, 싯튜브, 싯포스트 같은 부분을 보시면 느껴지실 겁니다.

    그러면 프레임은 그렇고, 바퀴도 그렇게 만들면 안될까 해서 나온 애들이 하이 프로파일 림을 사용한 바퀴 입니다.
    바퀴를 위에서 쳐다본 상태에서 바닥에 수평으로 잘라버리면 물방울 형태의 림단면이 나오죠. (림표면 저항을 없애려고 ZIPP휠은 골프공 처럼 딤플을 만드는 것도 잘 아실 겁니다.)

    결국 디스크 휠처럼 통째로 막아버리면, 휠 전체의 단면이 물방울 형태를 보이므로 유체 역학적으로는 가장 좋은 형태가 나오는 것 입니다.

    스포크의 저항도 만만치 않은 것이, ZIPP 808의 80mm 높이의 휠과, 젠티스 마크 원 같은 40mm에 4개의 카본 스포크로만 이뤄진 애들의 공기 저항 계수가 거의 동일한 것으로 나옵니다.

    로드 바이크 정도 부터의 속도의 세계는 공기 저항으로 모든 것이 판가름납니다.

    선수 대상의 테스트 결과였던 것 같은데, 40km TT에서 에어로 수트 좋은 걸 입으면 그렇지 않은 일반 져지를 입은 것 보다 135초 정도의 이득을 얻을 수 있습니다.
  • ?
    정성관 2010.04.08 15:58
    [ skjung@kaist.ac.kr ]

    박준수님께서 설명해 주신 내용을 보니
    제가 간과하지 말아야 할 것을 간과해버린 것 같습니다.
    좋은 설명 감사드립니다.

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