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자전거의 원리 및 구조

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작성자 가평군자전거연맹 작성일18-09-30 15:34 조회721회

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자전거 주행원리
 자전거주행원리자전거가 쓰러지지 않고 달릴 수 있는 이유는 타는 사람이
균형을 유지하기 때문이다. 타는 사람은 자전거와 자신의
자세 변화, 노면상태에 따른 앞바퀴나 핸들의 반응 등 모든
변화를 감지하고 순간적 또는 무의식 중에 핸들을 조작하고
몸의 균형을 조정함으로써 자전거를 제어하는 것이다.
즉, 자전거가 쓰러지지 않고 달리기 위해서는 인간의 피드백
능력이 가장 중요하다. 자전거 자체에도 전혀 안정성이 없는
것은 아니고, 일단 달리기 시작하면 잘 쓰러지지 않는 관성을
지니게 된다. 자전거의 직립 안정성의 역학적 원인으로는
이로 효과, 앞바퀴의 프리세션 효과는 팽이가 쓰러지지 않고
도는 것과 같은 원리이다.
 

팽이처럼 회전하고 있는 물체는 모두 회전축 방향을 바꾸지 않으려는 성질을 가지고 있는데 이를 자이로 효과라고 하며,
자전거에도 이러한 역학관계가 발생한다. 또, 회전하고 있는 팽이의 굴대 한 끝에 옆으로부터 힘을 가하면 힘을 가한 방향의
직각방향으로 움직이는 성질이 있는데 이것이 프리세션 효과이다. 주행 중에 자전거가 쓰러지기 시작하여 앞바퀴의 허브축이
한 쪽으로 기울게 되면 프리세션효과로 인해서 허브축은 직각방향인 뒤쪽으로 밀리게 된다. 이 때문에 쓰러지기 시작한
앞바퀴는 머리를 흔들며 기울어진 쪽으로 커브하게 되므로 쓰러지지 않고 계속 주행할 수 있게 되는 것이다.

앞바퀴의 중량효과는 앞바퀴가 한 쪽으로 기울어졌을 때 그 방향으로 머리를 혼드는 성질이 있어서 이것 역시 자전거가 쓰러지지
않게 한다. 중량효과가 발생하는 것은 앞포크에 오프셋이 있어서 앞바퀴 가운데서 핸들의 회전축보다 앞쪽 부분의 중량이 뒤쪽
부분의 중량보다 크기 때문이다. 자전거는 이와 같은 역학적 성질과 함께 혼자서 진로를 유지하여 똑바로 나아가는 직진 안정 성을
지니고 있으며 타는 사람이 바라는 대로 커브할 수도 있다. 자전거가 직진할 수 있는 것과 커브를 돌 수 있는 것은 밀접한 관련이
있는데, 이는 타이어와 지면 사이에 사이드포스라고 하는 가로방향의 힘이 작용하기 때문이다.

똑바로 나아가고 있던 상태에서 핸들을 꺾으면 앞바퀴의 회전면과 진행방향 사이에 오차가 생겨 타이어와 지면의 접면에 마찰이
일어나는데, 이 때 앞바퀴의 방향각도를 되돌리려는 모멘트로서 진행방향과 직각으로 사이드포스가 작용한다. 이 힘은 또한
차체가 기울어졌을 때에도 바퀴에 사이드포스가 발생하며, 이 때의 힘은 바퀴의 기울기를 줄이려고 하는 모멘트로서 작용한다.

이와 같이 차체가 쓰러지려고 하면 자동적으로 사이드포스가 작용, 앞바퀴의 방향과 수레바퀴의 기울기를 본디의 방향으로 되돌
리려고 하므로 자전거는 자동적으로 회복되어 사이드포스는 소멸된다. 한편 자전거가 커브할 때에는 탄 사람이 꺾은 핸들을
그대로 유지한다거나 몸을 기울인 상태로 있게 되면 사이드포스가 소멸되지 않고 계속적으로 작용하므로 자전거는 가로방향으로
당겨지면서 선회하게 되는 것이다.

자전거 구조
자전거구조
자전거는 지지(支持)부분ㆍ동력접수부분(動力接受部分)ㆍ전동(傳動)부분ㆍ작업부분 등으로 구성되어 있다.

지지부분
프레임ㆍ앞포크ㆍ안장(새들)ㆍ핸들 등으로 구성되며, 자전거의 다른 부분 및 동력원(動力源)인 타는 사람을 적절한 위치에 고정
시키는 역할을 한다. 가장 널리 사용되는 프레임은 다이아몬드형 프레임인데, 속이 빈 강관(鋼管)을 3개의 삼각형 모양으로 조립
ㆍ용접한 것이다.

삼각형의 구조는 절곡(折曲) 또는 꼬임의 힘을 단순한 인장(引張)이나 압축의 힘으로 변화시키는 작용이 있기 때문에 매우 높은
강도를 지니고 있다. 3개의 삼각형 중에서 두 바퀴 사이에 위치한 삼각형은 상ㆍ하 이프와 입(立)파이프로 구성되고, 이의 하단
접점(下端接點)은 행어(hanger)라 하여 그곳의 축(軸) 커플링(coupling) 속에 페달을 붙이는 크랭크축이 볼베어링으로 지지되고
있다. 입파이프의 상부선단에는 안장을 부착시키며, 상파이프와 하파이프가 접점을 이루는 전방선단은 짧은 헤드파 이프가 붙어
그 안에서 볼베어링에 의해 지지되는 포크스템이 원활한 회전을 한다.

포크스템의 아랫부분은 두 갈래로 나누어져 앞바퀴를 양쪽에서 지지하고, 윗부분에는 핸들포스트가 수직으로 연결된다.
뒷바퀴를 지지하는 나머지 2개의 삼각형은 입파이프를 하나의 변(邊)으로 하고 좌우 2개의 백포크와 체인스테이로 구성되어
있는데 그 후, 방접점은 뒷바퀴축에 연결된다.

동력접수부분
크랭크와 크랭크에 S자형으로 장착된 페달로 구성되는 부분이다. 동력원인 타는 사람의 다리의 왕복운동을 원활하고도 낭비없이
회전운동으로 변환하는 구실을 한다.

전동부분
대(大)기어(체인휠)ㆍ체인ㆍ프리휠ㆍ변속장치 등으로 구성되는 부분이다. 체인이 걸리는 톱니바퀴와 크랭크를 합하여 대기어라
하고, 크랭크축의 회전운동은 대기어ㆍ체인, 그리고 뒷바퀴의 프리휠을 거쳐서 허브로 전달된다.
가장 널리 사용되고 있는 체인은 강철로 만든 원통형의 롤러를 다수 연결한 롤러체인인데 기계적인 에너지 손실이 적고 전동효율
(傳動效率)은 높은 것이 장점이다. 프리휠은 체인의 장력(張力)을 받아들이는 작은 톱니바퀴(小기어 또는 스프로켓이라 한다.)와
그 내부의 래치트(ratchet) 기구로 구성되며, 래치트라는 갈고리가 한 방향의 회전만 뒷바퀴에 전달하는 구조로 되어 있다. 그
때문에 보행중이나 내리막길에서는 바퀴의 회전을 방해하지 않고 페달 위에서 발을 쉴 수가 있다.

대기어의 톱니수를 소기어의 톱니수로 나눈 수를 기어비(比)라 하는데 이 기어비를 자유로 선택할 수 있는 장치를 변속장치라고
한다. 이 장치는 단순히 속도를 바꾸기 위해서만 있는 것이 아니고, 0.1∼0.3마력 정도의 약한 인간의 힘을 그때 그때의 속도나
바람, 도로의 경사, 노면상태 등 여러 가지 주행조건에 따라서 가장 유효하게 활용할 수 있도록 고안된 장치이다.
현재 채용되고 있는 변속장치에는 톱니수가 다른 몇 개의 기어에 체인을 이동시켜 직접적으로 기어비를 변경시키는 드레일러
(derailleur;外裝式변속장치)와 허브의 동체를 굵게 하여 그 내부에다 행성(行星) 톱니바퀴기구(機構)를 짜넣은 변속허브
(內裝式 변속장치)가 있다.

작업부분
회전의 중심이 되는 허브와 스포크ㆍ림ㆍ타이어로 구성되는 바퀴는 차체와 운전자의 무게를 지지함과 동시에 뒷바퀴타이어의
얼마 안 되는 접지(接地)부분을 통해서 외부작업을 한다.

가느다란 경강선(硬鋼線)으로 만든 스포크는 강한 힘으로 서로 끌어당겨 림을 지지하고 있으며, 안장에 운전자의 무게가 걸리면
상반부의 스포크만이 방사상으로 당겨져서 무게를 지탱하므로 이를 텐션스포크라 한다. 또한 가속하거나 브레이크를 눌렀을 때
힘이 걸리는 것처럼 스포크는 허브의 테두리에 대하여 접선방향으로 뻗쳐진다.
림과 타이어는 반드시 동일 형식ㆍ치수의 것을 사용해야 하는데, 널리 쓰이고 있는 것은 W/O형이라고 하는 비드와이어식이며,
실용차ㆍ경쾌차에는 중량이 큰 B/E형이 많이 쓰인다.

 

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