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▣ 참고 자료 ▣

★ 마찰력과 자동차의 운동 자동차가 직선 도로를 따라 가속될 때, 자동차가 받는 힘은 바퀴와 도로 사이의 마찰 때문에 생긴다. 오른쪽 그림은 정지 상태에서 출발하려는 자동차에 작용하는 힘을 나타내고 있다. 자동차의 무게는 바퀴에 작용하는 수직항력과 크기가 같고 방향이 반대이다. 자동차가 움직이기 위해서는 엔진이 바퀴를 회전시키는 드라이브 샤프트에 토크를 전달해야 한다. 엔진이 앞바퀴를 돌림에 따라 정지 마찰력 fs는 차가 앞으로 굴러가도록 하기 위해 바퀴가 도로 위에서 미끄러지는 것을 막아준다. 만약 도로에 마찰이 없다면 도로에 접해있는 바퀴 면이 뒤

로 움직이면서 바퀴들은 제자리에서 회전만 할 것이다. 마찰이 있고, 엔진에서 전달되는 토크가 크지 않다면 정지 마찰력에 의해 바퀴는 도로에서 미끄러지지 않을 것이다. 도로에서 자동차에 미치는 마찰력은 앞쪽이고, 자동차가 앞으로 움직이는데 필요한 가속도를 준다. 만약 각 바퀴가 미끄러짐이 없이 구른다면 도로와 접하고 있는 바퀴 면은 도로에 대해 상대적으로 정지해 있으므로, 이때 도로와 바퀴 사이의 마찰은 정지 마찰이다.

엔진의 토크가 너무 크다면 바퀴는 회전하게 되고, 이때 바퀴 면은 도로에 대해 상대적으로 뒤로 미끄러지게 된다. 그러면 자동차를 가속시키는 힘은 운동 마찰력이 되어 정지 마찰력보다 작아진다. 이것으로부터 자동차가 얼음이나 눈 위에 정지해 있을 경우에는 가속 페달을 살짝 밟아서 바퀴가 헛돌지 않도록 해야 차가 움직일 수 있다는 것을 알 수 있다.

한편 바퀴가 미끄러짐이 없이 수평한 도로를 따라 일정한 속력으로 구른다면 정지 마찰이나 운동 마찰은 없다. 그러나 실제로는 바퀴가 일정한 속도를 갖도록 하는 데는 작은 힘이 필요하다. 바퀴가 구름에 따라 접촉하고 있는 바퀴와 도로면은 연속적으로 따로 회전해야만 한다. 게다가 각 면은 실제로 조금 변형되어, 바퀴의 중심은 마치 바퀴가 작은 언덕을 굴러 올라가는 것처럼 약간 올라가게 된다. 기준면 위에서 바퀴가 일정한 속도로 구르는데 필요한 힘과 면에 의해 바퀴에 작용하는 수직항력의 비를 구름 마찰계수라고 한다. 콘크리트 바닥 위에서 고무 바퀴에 대한 구름 마찰계수는 대개 0.01에서 0.02 정도의 값을 가지며, 강철선로 위의 강철 바퀴에 대해서는 0.001에서 0.002 정도의 값을 갖는다.

1. 배기량, 토크, 마력에 관한 이해

우리들은 흔히 서로의 차를 비교할 때 우선적으로 차량의 크기를 꼽는다. 자신이 소유한 차량의 크기에 따라 사회적 신분이나 위치가 보장받는 묘한 사회적 분위기가 암암리에 형성된 까닭이다.

경제적인 이치를 따져 소형차를 뽑고 경차를 굴리는 사람들은 아이러니하게도 같은 서민들에 의해 호텔 입구에서 혹은 대형 기관 주차장에서 괄시 받고 차별 받는다. 소형차나 경차를 소유한 사람들을 사회적 약자로 보는 시선이 아직은 팽배한 까닭이다. 그러나 저마다의 사람이 자신만의 개성이 있고 취미와 특기가 있듯, 자동차도 나름의 고유 특성이 있다.

흔히들 얘기하는 "내 차는 작고 실용성은 있는데 순간 가속력이 딸려서 언덕길을 올라가는데 힘이 들어""내 차는 스포츠카 답게 최고 속도가 얼마야" 등등. 이번 장에서는 사회적 신분을 가늠하는 척도인(?) 배기량과 순간 가속력을 의미하는 토크, 차량이 최대로 뿜어 낼 수 있는 성능인 마력에 대해 알아보자.

1) 배기량(displacement, capacity)

배기량은 엔진 내부의 부피를 산출한 양이다. 정확히 얘기하면 실린더 체적(부피) 공간의 크기 정도가 바로 배기량을 산출하는 기준이다. 엔진에 대한 설명에서도 밝혔듯이 자동차의 엔진은 실린더안의 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 바꾸어 자동차의 동력원으로 사용된다고 했다.

이때에 배기량을 산출하는 실린더의 체적(부피)은 실린더안의 상단 연소실에서의 공기와 연료의 혼합, 폭발력에 의해 엔진 힘을 만들어내는 피스톤이 상하 왕복 운동을 하는 공간을 말하는데, 이때 공기와 연료의 혼합으로 인한 폭발로 피스톤이 실린더 상단에서 실린더 하단까지 밀려 내려갔을 때의 공간 부피만큼이 배기량의 정도이다.

실린더 내부의 체적(부피)이 배기량이다

이를 다시 얘기하면 엔진의 행정방식에 따라 흡입, 압축, 폭발로 인해 실린더 상단(상사점)에 있던 피스톤이 실린더 하단(하사점)으로 밀려내려간 다음, 마지막 행정인 배기를 위해 이미 폭발로 연소된 가스를 피스톤이 다시 올라오며 밀어내는 양을 배기량이라고 한다.

즉, 배기량은 연소된 실린더내의 가스가 배기되는 정도의 양을 말하며 이 가스가 가득차게 되는 실린더내의 체적(부피)공간의 크기를 나타내는 것이다. 배기량의 척도를 알려주는 실린더의 크기는 주로 cc나 Liter로 표기하며 엔진 배기량의 산출은 각 기통의 배기량 X 기통수로 계산한다.

당연한 얘기겠지만 배기량은 크면 클수록 엔진의 덩치가 커지고 또 그만큼 비례하여 힘이 강하다. 이는 기통내의 실린더의 공간이 커 배기량이 큰 만큼 흡입되는 공기와 연료 또한 그 양이 많아 강한 폭발력(연료와 공기의 연소성)으로 피스톤을 밀어내기 때문이다. 배기량의 크기는 엔진의 직접적인 힘인 토크와 최대출력을 나타내는 마력이 그만큼 비례하여 높아진다고 보면 맞다.

정리를 해보자면, 배기량의 수치는 각 기통(실린더)의 피스톤이 상하로 왕복하는 공간의 부피(상사점-하사점)의 값이고 엔진의 배기량은 각 기통의 배기량X기통수이다. 배기량이 클수록 엔진 성능의 원천인 파워는 그만큼 높아진다.

2) 토크(torque)

흔히 엔진 성능은 마력과 토크로 표현된다. 이 둘은 반대가 아닌 갚은 관계를 맺고 있어 토크가 있어야만 마력이 존재한다. 차는 복잡한 교통상황에 맞춰 달려야 하기 때문에 엔진 성능이 변화하는 상황에 적응해야 하고, 그 상황에 따라 토크와 마력이 다르게 쓰인다. 예를 들어 포르쉐와 페라리는 그 특성이 확연히 구분되는데 포르쉐의 경우는 토크 중심으로 엔진을 셋팅하여 가속력과 순발력이 뛰어난 반면, 페라리는 고회전력rpm에서 나오는 마력 위주의 셋팅으로 최고 속력에서는 포르쉐보다 한수 위에 있다.

토크의 사전전 의미는 '어떤 것을 어떤 점 주위에 회전시키는 효과를 나타내는 양으로서 회전모멘트, 비틀림 모멘트라고도 부르며 힘의 크기와 힘이 걸리는 점에서 회전 중심점까지의 길이의 곱(kg.m)으로 나타낸다. 자동차에서는 엔진에 발생하는 토크(축 토크)를 가리키는 것이 보통이며, 엔진의 토크가 크면 가속이 좋고, 운전하기가 쉽다.'

회전력이란 뜻의 토크는 엔진이 흡입, 압축, 팽창(폭발), 배기 등 4행정을 할 때 피스톤이 상사점(TDC : Top Dead of Center)에서 하사점(BDC : Bottom Dead of Center)까지 밀려나는 구간(길이)만큼 밑으로 누르는 힘의 크기를 말한다. 즉 피스톤이 상사점에서 하사점으로 밀려나면서 크랭크 샤프트를 반바퀴(180도) 돌려주는 힘을 말한다. 이처럼 엔진의 폭발력이 커지면 증가하게 되는 토크의 힘은 엔진의 배기량이 높을수록 순간적인 파워를 낼 수 있어 가속력이 뛰어나다.

토크는 축을 휘돌리는 힘, 회전력이라고 했다. 쉽게 얘기하자면 토크는 엔진에서 만들어내는 구동력을 뜻한다. 자동차 엔진의 운동 성향을 보면 자동차에는 엔진이라는 동력원이 있고 엔진 안에는 실린더 라는게 있다. 실린더 속에는 피스톤이란 것이 상하로 왕복운동을 하고 이 왕복 운동은 피스톤과 연결된 커넥팅 로드란 연결부위에 의해 크랭크 축을 회전 운동으로 바꾸어 트랜스 미션을 통해 동력을 바퀴에게 전달하여 자동차를 움직이게 만들어 준다.
이때 왕복 운동을 회전운동으로 바꿔 주는 힘은 실린더 헤드 내부에서 압축된 연료가 폭발해 생겨나는 힘이다. 토크는 회전운동의 값이지만, 빠르고 느린 회전력을 말하는 속도개념이 아닌, 축을 회전시키려 발생되는 힘의 운동을 이야기하는 것이다.

토크의 힘 표기 단위는 kg.m/rpm 라는 단위로 표기하는데 이것은 00.0kg.m/0000rpm 이면 엔진이 1분동안 0000번 회전할 때 1m 길이의 축(shaft)을 00.0kg의 힘으로 돌려준다는 뜻이다. 뒤에 rpm은 엔진의 회전수를 나타내는 단위인데 축을 돌릴 때 가해지는 힘이 발생하는 엔진의 회전수 정도를 말하는 것이다.

실제 예를 들어 보자면 국산차 중에 티뷰론의 제원표를 보면 배기량 2.0인 경우 최대 토크가 19.3/4,800 이라고 표기가 돼 있다. 앞에 있는 숫자는 19.3kg/m이고 뒤에 붙어 있는 것은 4,800rpm 이란 뜻이다. 티뷰론은 1분에 엔진의 회전수가 4.800번 회전할 때 19.3kg의 토크가 발생된다는 얘기다. 다시 말하자면 엔진이 커넥팅 로드-크랭크 암을 통해 1분에 4.800번 정도 회전하는 힘으로 크랭크 샤프트를 돌려주게 되면 이때가 차의 가장 큰힘이 발생하는 정점이라 보면 된다.

토크가 높을수록 순간 가속 성능이 좋아지고 , 경사길 등판능력이 향상된다. 일반적으로 엔진 배기량에 비례해서 커지며, 엔진의 어떤 회전영역(rpm)에서 최대토크가 발생하느냐에 따라 고속형 엔진과 중속형 엔진으로 구분되기도 한다. 엔진은 고속 회전 영역으로 갈수록 각종 엔진 내부의 저항이 커지면서 엔진효율이 떨어지기 때문에 최적 엔진효율이 발생되는 시점을 지나면, 엔진 회전수가 높아지더라도 토크는 줄어 든다. 자동차 카다로그에는 엔진 회전수에 따른 토크의 변화가 그래프로 표시되어 있는데 대부분은 원호형상이다. 최대 토크가 발생하는 위치에서 그래프가 수평한 직선에 가까울수록 최대토크가 발생하는 엔진 회전영역대가 넓은 것이므로 가속감이 균일하고 우수해진다.

그럼 이 토크를 최대한 활용하며 드라이빙을 즐기려면 어떻게 해야 할까? 중요한 것은 변속을 할때 토크를 기준으로 해야 한다는 것이다.효과적으로 토크에 맞춰 기어를 변속해 주어야 하며 최대 효율을 이끌어 내기 위해서는 자기 차량의 토크를 꼭 체크해 봐야 한다. 토크는 자기차의 제원표를 보면 쉽게 알 수 있다.

자동차의 최고속도는 엔진의 마력수에 의해 좌우되지만 가속은 주로 토크에서 나오는 구동력의 영향을 받는다. 이 때문에 기어를 변속하는 시점은 항상 토크를 염두에 두고 결정하는 것이 가장 좋은 방법이다. 토크는 구동력을 가르키는 단위이므로 토크가 클수록 가속하기도 쉽다.

보통 토크는 저회전에서 서서히 상승되는데 일정한 회전수를 경계로 하여 급격히 하강된다. 위에 예를 들은 티뷰론 2.0 엔진의 경우 4,800rpm에서 최대토크인 19.3 kg/m가 생긴다.이 차로 시속100km를 달리고 있을 때 급가속을 원한다면 4,800rpm을 가장 빨리 만들어 낼 수 있게 차량을 운행해야 한다. 그러나 항상 최대 토크를 만들어내며 기어 변속을 하면 엔진 소음도 커지고 연비도 나빠질 것이다. 따라서 조금 더 부드러운 운전을 하려면 토크에 대한 충분한 이해가 필요하다. 다만 다른 차량을 추월하기 위해서나 등판길을 오르기 위해 급가속을 필요로 할 때에는 최대토크를 활용한 운전 방법이 큰 도움이 될 것이다.

최대토크는 엔진이 가장 최고의 힘을 발휘하는 시점이다. 토크는 배기량에 비례하는 것이지만 최대 토크의 시점은(엔진회전수) 엔진의 성격이나 자동차의 용도에 따라 틀려진다. 그것을 크게 구분하자면 순발력이나 고속주행 위주에 일반승용차, 스포츠카들이 주로 사용하는 휘발유 엔진과 큰 힘을 필요로 하는 4WD들이나 트럭들이 사용하는 디젤엔진의 구분으로 나누어 비교할 수 있다.

트럭이나 시내버스와 같이 무게를 감당해야 하는 차는 높은 엔진 회전수에서 나오는 출력보다는 낮은 회전수에서 나오는 최대토크를, 엔진 크기 이상의 최고 속도가 필요한 스포츠 타입이나 승용차는 출력보다 높은 회전수에서의 최고 출력이 더 중요하다. 높은 엔진회전수에서 최대토크를 얻는 휘발유 엔진 구조상의 특성 때문이라 할 수 있다. 휘발유 엔진의 실린더 형태는 숏 스트로크(Shot Stroke)라 하여 실린더 내벽의 지름(Bore)에 비해 피스톤이 상하 왕복운동을 하는 행정거리가 짧다. 이 특성은 디젤엔진과는 달리 실린더내의 연소를 위한 공기와 연료의 양을 주행상태에 따라 혼합기(캬브레이터, 인젝션)를 통해 필요한 만큼 분사하는 방식이어서, 실린더내 연소를 위한 공기 압축비가 높지 않아(디젤의 절반, 8~11 : 1) 실린더 연소를 위한 체적(공간)이 디젤엔진에 비해 크지 않기 때문이다. 그러므로 행정거리가 짧은 만큼 피스톤의 상하 왕복운동은 빠르게 진행이 되어 엔진회전수가 디젤 엔진보다 높게 올라 간다. 이는 휘발유 엔진이 높은 순발력과 고속이 가능할 수 있는 이유다.

그러나 피스톤의 행정거리가 짧은 만큼, 피스톤에 연결되어 있는 커넥팅로드가 회전시켜주는 크랭크암과 축(크랭크샤프트)의 거리 역시 비례하여 짧아져 커넥팅로드가 가해주는 힘, 즉 토크는 크지 않다. 이는 승용차들이 순발력은 빠르지만 사람이 많이 탔을 경우나 짐을 많이 실었을 경우에 체감되는 자동차의 힘 차이가 큰 이유라 볼 수 있다. 휘발유 승용차가 큰 힘을 얻기 위해서는 적은 토크를 상쇄하기 위해 높은 회전력(엔진회전수)이 필요하고, 따라서 최대토크가 발생하는 회전영역이 디젤엔진에 비해 높게 설정되어 있다.

이에 비해 디젤엔진의 경우에는 구조적으로 저속에서 큰 토크가 발생되는 특성을 가지고 있다. 보통 디젤엔진을 얹은 트럭들은 트랜스미션 기어를 2단에 넣고도 정지에서 출발이 가능할 정도의 힘의 여유가 있고 큰 짐을 싣고도 힘있는 주행이 가능하다. 하지만 정지에서 출발시 가속과 액셀레이터의 응답성이 더디고 빠른 속도의 주행이 힘들다는 단점이 있다.

이는 휘발유엔진의 숏 스트로크 방식이 아닌 롱 스트로크(Long Stroke) 방식의 실린더 구조를 가지고 있기 때문이다. 롱 스트로크는 실린더 내벽의 지름(Bore)보다 피스톤이 상하 왕복운동을 하는 행정거리가 길다는 것을 말하는 것이다.

이 때문에 항상 높은 공기량의 유입을 통해 큰 압축비와 폭발 압력을 생성해야 하는 연소방식의 구조상, 스트로크가 휘발유에 비해 더 길다. 그렇기 때문에 실린더내에 피스톤의 압축비와 폭발력에 의해 밀려내려가는 공간이 더 필요하기 때문에 휘발유에 비해 강하고 더 높은 토크를 얻을 수 있다.

하지만 동력을 전달하는 힘(토크)은 강해졌으나 행정거리(스트로크)가 길어져 회전운동의 회전 면적이 커진 이유로 저속의 엔진회전때 큰 힘, 즉 최대토크를 얻을 수 있지만 빠른 엔진회전이 어려워 휘발유 엔진에 비해 순발력과 높은 고속에 불리하다. 초기 가속시 액셀레이터의 밟힘 정도에 반응하는 엔진의 응답성이 승용차에 비해 더디고 아이들링시에 진동이 휘발유에 비해 큰 것이나 엔진 소음이 큰게 그 이유다.

[아이들링(Idling):엔진이 공회전하고 있는 상태로, 회전수는 엔진이 안정적으로 회전할 수 있는 최저속도다]

토크는 실린더(연소실)내의 폭발력(배기량)으로 발생되는 상하 왕복운동의 힘을 전달받아 회전운동으로 축을 돌려주는 엔진의 실질적인 힘으로서 배기량에 비례한다. 토크가 높은 엔진이 힘이 좋으며 휘발유 엔진과 디젤 엔진의 특성에 따라 최대토크가 발생하는 엔진회전수 영역이 틀리다.

3) 출력/마력(Horse-Power & Pferde-Starke)

자동차의 제원표상에 000마력/0000rpm으로 표기되는 최고출력은 말 그대로 엔진이 낼 수 있는 최고의 힘(power)를 말한다. 엔진의 출력을 나타내는 뜻으로 자동차 마력(출력)에 대한 사전적 정의는 다음과 같다.

마력은 일을 하는 능률의 표시이다. 일은 힘과 거리를 곱한 것으로 나타내며 1마력은 무게 75kg의 물체를 1초동안 1m 높이로 끌어 올리는 힘으로 정의하고 있다. 마력의 표기는 영마력(Horse-Power)과 불마력(Pferde-Starke)이 있으며, 우리나라에서는 불마력(PS)이 사용된다.

우선 마력이라는 힘의 단위에 대해서 알아보자. 마력은 보통 HP, 또는 PS라고 표기하는데 HP는 영어의 마력 단위 표기로서 Horse Power의 약자다. PS는 프랑스어의 마력 단위 표기로서 Pferde Starke의 약자다. 우리나라에서는 프랑스어 표기인 PS를 사용하고 있다.

마력은 75kg 무게를 1초동안 1m의 높이를 끌어올리는 힘을 말하는 것으로 측정방식의 표기는 1ps=75kg.m/sec 로 한다. 위에서 예를 든 배기량 2000cc 티뷰론은 153/6000(ps/rpm)의 최고 출력을 나타내는데 이는 엔진이 1분에 6000번 회전할 때 11.5톤의 무게를 1m의 높이로 들어올릴 수 있다는 것을 말하는 것이다.

자동차의 최고 출력으로 표기되는 마력은 토크(힘) X 엔진회전수(rpm)로 산출하는데, 이미 위에서 설명한 배기량과 토크, 그리고 엔진회전수에 종합한 값이 자동차의 최고출력을 나타내는 것이다. 최고출력(마력)이란 토크처럼 실제로 힘을 나타내는 정도가 아닌, 힘을 낼 수 있는 영역, 즉 엔진이 무리하지 않는 정도에서의 엔진 회전력 정도와 이때 엔진회전력에 의해 발생할 수 있는 힘의 양(회전 범위)을 얘기하는 것이다.

이것을 다른 말로 얘기하자면, 배기량에 더해 토크라는 회전운동(힘)을 얼마만큼 높은 엔진 회전수로 올려 회전력에 의한 힘을 얻어내느냐 하는 것이 최대출력(마력)의 개념이라 할 수 있다. 여기서 주의해야 할 것은 최대출력(마력)이란 일정하게 항상 유지할 수 있는 엔진회전수가 아닌, 최고로 올릴 수 있는 한계영역이라는 것이다. 그 정도까지 엔진 회전력을 올릴 수 있다는 것이지, 유지할 수 있다는 것과는 다른 얘기다.

엔진의 마력 계산은 토크X엔진회전수로 산출한다고 했는데 비슷하거나 같은 배기량이라 하더라도 디젤엔진이냐 휘발유엔진이냐 하는 엔진특성에 따라 마력 정도는 큰 차이를 보인다. 휘발유엔진같은 경우에는 숏 스트로크의 특성으로 토크는 적지만 엔진의 고회전으로 회전력이 빨라 이를 마력으로 산출하면 높은 회전수에 높은 마력비가 나오고, 디젤엔진같은 경우에는 롱 스트로크에 강한 토크로 엔진의 저회전에 의한 적은 회전수에 적은 마력비가 나온다.

위에서 설명한 배기량, 토크, 마력에 대해서 마지막으로 총 정리를 해보자. 배기량은 엔진의 크기와 능력의 척도이고 토크는 엔진이 뿜어낼 수 있는 직접적인 힘이라 생각하면 된다. 그리고 마력은 그 엔진이 얼만큼 능력을 발휘할 수 있느냐 하는 회전 성능(회전 범위, 정도)을 말해주는 것이라 볼 수 있다.

다시 말해 자동차를 출발시키거나 가속을 하는 기본적인 힘을 필요로 할 때는 토크의 성질을 이용하는 것이고, 고속도로를 최고 속도로 주행하고 있을 때에는 마력의 힘을 빌리고 있는 것이라고 생각하면 되겠다.