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[비센의 재미있는 과학 이야기] “아빠, 자동차 바퀴는 왜 전부 까매?”

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작성자 석준영 작성일15-10-29 12:44 조회201회 댓글0건

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겨울철 안전 주행 위해서는 사계절, 혹은 윈터 타이어 장착 필요

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어제 아침 아이들을 학교에 데려다주는 길에 여섯살 딸 아이가 창밖을 한참 말없이 바라보다가 갑자기 던진 질문에 옆에 앉아있던 아들이 “바보야, 어차피 흙먼지가 묻어서 더러워질 거니까 까맣게 만드는거지”라고 으쓱대며 답해주는 모습을 보고, 미소를 짓던 경험을 했습니다.

 

맞는 답은 아니지만, 나름대로 논리적으로 설명해주는 아들의 답이 기특했기 때문입니다. 창밖의 차들을 보며 그런 것을 궁금해 하는 딸도 그저 신기하기만 했습니다.

 

대부분의 사람들이 당연하다고 여기며, ‘왜?’라고 생각조차 하지 않았을 법한 이 질문에도 사실 과학적 이유가 있습니다.  

 

정말 어차피 더러워질 것이기 때문 일까요? 타이어가 검은 색인 이유는 타이어의 주재료인 천연고무와 합성고무 자체의 문제점을 보완하고 내열성, 내마모성, 강성 등을 높여주기 위해 첨가되는 카본블랙(Carbon Black)이라는 물질이 그 이유입니다.

 

카본블랙은 석유를 불완전 연소시켜 얻을 수 있는 분말 입자인데, 탄소(Carbon)로 이루어져 있기 때문에 그 생김새가 숯가루와 비슷합니다.

 

이 카본 블랙이 고무 분자와 결합을 하면 고무의 내구성을 증대시켜주는 역할을 하기 때문에 타이어에 꼭 필요한 첨가물인 것입니다.

 

물론 카본블랙대신 카본 화이트(백색 충전제)나 실리카(Silica) 등을 이용해서 백색 타이어 또는 다른 색상의 타이어를 만드는 것도 가능하지만, 결합력, 공정상의 문제 등으로 인해서 대량 생산되는 타이어에는 아직까지 카본블랙을 필수적으로 사용하며, 그로 인해서 모든 타이어는 카본 블랙의 색깔인 검은색을 띄고 있는 것입니다.

 

이렇듯 별거 아닌 고무 덩어리로 보일 수도 있는 자동차의 타이어에도 많은 과학적 지식들이 담겨져 있습니다.

 

최초로 자동차 바퀴에 타이어가 사용되었을 때는 천연 통고무를 사용했었습니다. 통고무는 우리가 일반적으로 상상하는 신축성을 갖고 있는 그런 고무가 아니라 나무토막만큼이나 단단한 재질입니다.

 

그러기에 통고무를 사용한 타이어는 완충성이 없기 때문에, 좋은 승차감이라는 것은 기대할 수조차 없었던 때였습니다.

 

이후, 지금의 자전거 바퀴와 같이 내부에 튜브가 있어서 공기를 주입할 수 있는 바퀴는 1888년 벤츠(Benz)사에서 처음 사용되었습니다.

 

타이어 내부에 공기를 넣음으로써 승차감에 일대 혁명을 가져왔던 시기라고 할 수 있습니다.

 

지금의 타이어와 같이 바닥면에 줄무늬(그루브, groove)가 있는 바퀴는 1905년에 처음 사용되기 시작하였고, 1931년 미국의 듀폰(Dupont)사에서 처음 합성고무를 이용한 타이어를 개발하면서부터 타이어의 개발은 비약적인 발전을 시작하게 됩니다.

 

합성고무는 천연고무와 달리 여러가지 형태로 변형 및 제작이 쉽기 때문에, 공학적으로 설계된 그루브의 모양을 타이어 바닥 트레드(Tread)부분에 만드는 것이 가능해졌습니다.

 

트레드의 그루브의 형태에 따라 바닥면과의 마찰계수를 증가시키고, 또한 타이어와 바닥 사이의 물기를 효과적으로 밖으로 배출시킴으로써 수막현상(타이어와 아스팔트사이에 얇게 형성된 빗물층에 의해 바퀴가 미끄러지는 현상)을 방지하는 등의 자동차의 제동력에 대한 중요한 역할을 타이어가 담당하기 시작한 것이 이때부터 입니다.

 

현재 자동차들에 사용되는 튜브리스 타이어(Tubeless Tires)는 1945년 이후에 개발된 타이어입니다. 튜브리스 타이어는 고무바퀴 안쪽에 튜브가 있고, 그 튜브에 공기를 채우는 방식이 아닌 고무 타이어 자체의 내부막이 튜브의 역할을 할 수 있게 만들어져, 타이어와 튜브가 일체형이 된 형태입니다. 

 

아주 옛날 타이어나 일반적인 자전거 타이어와 달리 자동차 주행중에 타이어에 펑크가 난다고 해도, 갑작스럽게 공기가 빠지는게 아니라 갓길로 차를 뺄 수 있을 정도는 차를 제어할 수 있는 이유가 바로 튜브가 없는 일체형 타이어를 사용하기 때문에 가능한 것입니다.

 

물론 요즘은 자전거에도 튜브리스 타이어를 사용하기도 합니다. 현재 고급 차종들에 주로 사용되고 있는 런플랫 타이어(Runflat Tires)는 튜브리스 타이어보다 더 발전된 형태로 주행중 타이어에 구멍이 나도, 80 km/h의 속도로 80 km정도의 거리를 더 달릴 수 있는 기능을 갖고 있습니다.

 

1979년에 처음 개발된 런플랫 타이어의 원리는 종류에 따라서 몇가지로 나뉘어 지는데, 가장 보편적으로 이용되는 방식은 SSR방식과 SR방식이라고 할 수 있습니다. SSR(Self Support Reinforce)타입은 타이어의 옆면의 강도를 높여서 공기압이 떨어져도 주저앉지 않게 해주는 것이고, SR(Support Ring)타입은 휠 상단부에 링을 삽입해서 공기가 없더라도 링의 지지를 받아 타이어가 주저앉지 않게 해주는 방식을 이용합니다.

 

이렇듯, 단순하게 보면 검은색 고무 덩어리정도로 생각되는 타이어는 지난 100여년간 축적된 과학기술을 이용하여 그 재질이 혼합되고, 바닥면의 그루브의 모양 하나하나가 결정된 첨단 과학기술의 결과물이라 할 수 있습니다.

 

밴쿠버에 오신지 얼마 안 되시는 분들은 혹시 모르실 수도 있지만, BC주 고속도로의 몇몇 구간은 매년 10월 1일부터 다음해 3월 31일까지 일반 차량의 경우는 겨울용  타이어 장착을, 대형 트럭 등은 눈길용 체인을 가지고 다는 것을 법적으로 의무화하고 있습니다.

 

밴쿠버에서 휘슬러를 향하는 99번 고속도로와 호프(Hope)를 지나 록키를 향할 때 지나게 되는 1번 고속도로의 코퀴할라 지역(Coquihala Summit)이 대표적으로 윈터 타이어 장착이 의무인 구간입니다.

 

이때 이야기하는 윈터 타이어는 사실상 윈터 타이어뿐만 아니라, 대부분은 사계절 타이어도 포함하는 것으로서, 타이어 옆면에 삼각봉우리의 산모양 내부에 눈결정 모양이 있는 마크있는 윈터타이어뿐만 아니라, M+S (Mud and Snow)라는 표시가 있는 사계절 타이어도 트레드 골의 깊이가 3.5 밀리미터(mm) 이상이라면 법적으로 허용되는 타이어들입니다.

 

일반적으로 윈터 타이어, 스노우 타이어라고 하면 눈길, 빙판에서 제동력이 좋은 타이어라고만 생각하기 쉽습니다.

 

때문에 아무리 겨울이라도 눈이 많이 오지 않는 곳에서는 굳이 윈터타이어를 갈아 끼울 필요가 없다고 생각하시는 분들도 계시지만, 이는 잘못된 생각입니다.

 

타이어는 기본적으로 고무재질로 만들어졌기 때문에 온도가 낮아지면 고무의 경화현상이 일어나 보통때보다 더 단단해져 마찰계수가 낮아져 제동력에 문제가 생깁니다.

 

윈터 타이어는 그루브의 패턴과 스터드(Stud, 축구화의 스파이크와 같은 금속 돌기) 등을 이용하여 눈길에서의 제동력을 높이는 것도 맞지만, 고무 재질 자체가 일반 타이어보다 훨씬 높은 함량의 실리카(Silica)를 넣은 발포고무가 사용되기 때문에 저온에서도 쉽게 경화되지 않아 충분한 접지력을 가질 수 있게 제작된 타이어입니다.

 

눈이 많이 오지 않는 곳이라 하더라도 겨울동안 평균기온이 영하 7-10도 이하로 떨어지는 곳이라면 윈터타이어를 장착하는 것이 안전운전에 도움이 될 것 입니다.

 

물론 겨울에는 꼭 윈터타이어를 장착해야만 한다는 뜻은 아닙니다. 일반적으로 도심에서 출퇴근으로만 차량을 사용하고, 특히 밴쿠버와 같이 겨울 기온이 크게 떨어지지 않는 지역에서는 경우에 따라 사계절 타이어만으로도 충분할 수도 있습니다.

 

각자의 차량 운행의 목적과 사용빈도에 따라서 최적의 타이어를 고르시고 언제나 안전하게 운전하시는 것이 가장 중요할 것이라 생각합니다.

 

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석준영(비센 학원장)

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