Watt(와트)를 비롯한 자전거와 관련한 기초 물리역학들

[악어]

- 작성자 : 자갤화석

- 블로그 : 자갤화석의 바이크이야기

- URL : http://roadcyclist.blog.me/90186661286

이 글은 중고등학교 수준의 물리학 지식이 있으면 누구나 다 아는 사실이므로 중고등학생이거나

물리 잘 모르는 분들 빼고 패스하세요.

자동차나 오토바이 등 내연기관이 탑재된 탈것들은 '마력'과 '토크'로 힘을 측정한다. 

마력(馬力, horsepower)

마력이라고 해서 진짜 말 1마리가 내는 힘. 이라고 생각하면 곤란. 

"설마 내가 1마력밖에 안된다고??"

1마력은 75kgf의 힘으로 1초동안 1m만큼 작용시키는 능력을 말한다.

쉽게말해서 75kg의 물체를 1초에 1m만큼 수직방향으로 들어올리면 1마력이라고 한다.

(지금은 아니지만 마력이란 단위가 나올 당시 유럽에선 저정도 힘을 내는 말이 대부분이었던 것 같다.)

바꿔말하면 750kg을 10초에 1m만큼 들어올려도 1마력,

7.5kg을 1초에 10m만큼 들어올려도 1마력이라는 뜻.

그래서 마력은 힘의 단위라기보단 '일률'의 단위로 보는게 맞다.

토크(Torque)

비트는 힘이라고 보면 되며 단위는 보통 kg.m로 표시.

1m의 스패너로 1kg의 힘으로 돌리면 추진축이 회전하는 토크가 1kg.m가 되는것이다.

10cm길이의 스패너로 10kg으로 돌려도 1kg.m

10m길이의 스패너로 100g의 힘으로 돌려도 1kg.m 나온다.

참고로 자전거에서 토크는 체력측정보단 정비시 육각렌치의 최대허용값 등으로 주로 쓰이며

단위는 Nm으로 쓰인다.(1kg.m는 약 9.8Nm)

W(Watt)란 무엇인가

증기기관을 발명하여 산업혁명에 큰 공을 세운 '제임스 와트(James Watt)'의 이름에서 유래된

출력의 단위 와트(W)

이걸 이해하려면 우선 힘과 일에 대한 이해가 필요하다.

- 힘의 단위 뉴턴(N)

힘이란 질량을 가진 물체를 얼마나 빨리 가속시키느냐를 나타내는 단위이다.

힘 = 질량 * 가속도

이게 그 유명한 F=ma 이다.

무중력, 무저항 상태에서 질량 1kg의 물체를 1m/s의 속도로 가속시키는데(가속도 1m/s²) 1초가 걸리면 그게 1N이다.

지구의 중력가속도는 대략 9.8m/s²정도 된다.

그래서 무게(=힘)의 단위 1kgf는 9.8N이 되는 셈이다.

체중 75kg이 나가는 사람은 대략 735N힘으로 땅을 밟고 있는 셈이 되는것.

-일(에너지)의 단위 줄(J, Joule)

에너지란 일의 단위로, 일정한 힘으로 일정한 거리만큼 작용한 것을 말한다.

일 = 힘 * 거리

1N의 힘으로 1m의 거리만큼 작용했을 때 한 일은 1J 이 된다.

75kg(735N)을 1m만큼 들어올리면 735J이 된다.

에너지는 질량과 속도를 가진 물체의 운동에너지로 나타나기도 하는데

가령 1kg짜리 공을 수직으로 던졌을 때 20m높이 올라가면

m*g*h 공식에 의해 중력가속도 20 * 질량 1 * 높이 10 = 200J의 위치에너지가 확보된다.

공이 중력에 의해 자유낙하하면(편의상 중력가속도는 10m/s² 으로 가정)

속도 v = g*t

높이 h = 20m = ½*g*t² = ½*10*t² = 5*t²  

t² = 4

t  = 2, v = 20

고로 2초 후 땅에 도달했을 때 속도가 20m/s가 되는 셈.

공식으로 정리하면

m*g*h = m*g* ½*g*t²

          = ½*m*g²t²

          = ½*m*v²

그래서 질량과 속도에 의한 운동에너지는

  ½*m*v² 공식이 성립된다.

실생활에 매우 유용한 공식이니 외워둘것.

-파워의 단위 와트(W)

그럼 이제 와트에 대해 알아볼 차례.

에너지 J을 단위시간당 뽑아낸 것으로 계산한 일률이 W(와트)이다.

즉, 1J의 에너지를 1초만에 생성하면 1W가 된다.(열에너지든 운동에너지든 상관없이)

1J의 에너지를 0.1초만에 생성하면 10W가 되고,

10초만에 생성하면 0.1W가 된다.

그러니까 1마력(ps), 75kg을 1초에 1m 들어올리는건

75kg = 735N

735N * 1m = 735J

735J/1s = 735W

그래서

1ps = 735W 가 성립.

보통 사람이 자전거를 타고 바람없는 평지에서 40km/h를 유지하려면

300W가 필요하며 단거리 트랙 선수들은 순간적으로 2000w이상도 낼 수 있다고 한다.

참고로 일반 남자 동호인들은 4분동안 200~300W정도 내는게 보통.

여자 동호인의 경우 보통 150~200W, 이번 대회 여성부 우승자가 250W기록.

대회에 쓰인것과 같은 파워미터(허브형, 크랭크형, 페달형 등 다양)를 동호인도 구입해서 쓸 수 있으나

아직은 가격이 1~200만원대로 많이 비싸므로 패스.